JP4680644B2 - ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用した寒冷地対応ヒートポンプに多段エジェクタを組み込んだサイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプに多段エジェクタを組み込んだサイクルシステムに関し、より詳細には、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用したヒートポンプが、寒冷地において外気温が低い場合でもその効率を低下させないように、多段エジェクタを組み込んだサイクルシステムに関する。本発明は、このようなサイクルシステムを有する暖房システムまたは給湯システムにも関する。

現在、二酸化炭素は、オゾン破壊係数ゼロ、地球温暖化係数１で、環境への負荷が極めて小さく、かつ毒性、可燃性が無く安全で安価であること、臨界温度が３１．１℃と低く、空調や給湯用では、サイクルの高圧側が容易に超臨界になることから冷媒と被冷却流体との温度差が小さい加熱を行うことができるので、給湯のように昇温幅が大きい加熱プロセスでは、高い成績係数（ＣＯＰ）が得られること、圧縮機単位流入体積当たりの加熱能力が大きく、熱伝導率が高いことから、エコキュート（登録商標）の名称でヒートポンプ給湯機用冷媒として普及利用されている。

図１に、二酸化炭素を冷媒として利用する従来の暖房用／給湯用ヒートポンプ１００の代表的な構成図を示す。図１に示されるヒートポンプは、圧縮機１０１、凝縮器１０２、膨張弁１０３、蒸発器１０４、二酸化炭素冷媒用の配管１０５、および加熱されるべき水用の配管１０６を備える。図１の矢印で示されるように、二酸化炭素冷媒は、配管１０５を介して、圧縮機１０１、凝縮器１０２、膨張弁１０３、および蒸発器１０４の順番で循環する。また加熱されるべき水は、水用の配管１０６を介して凝縮器１０２に導入され、凝縮器１０２で加熱された後で暖房用／給湯用として使用される。

図２に、二酸化炭素を冷媒として利用した従来の暖房用／給湯用ヒートポンプ１００におけるサイクルを、横軸がエンタルピーを表しかつ縦軸が温度を表す線図を用いて示す。なお、図２における５は外気温を表し、６は造温水過程を表す線である。

図１および図２を参照して、従来のヒートポンプのサイクルを、各構成部品の動作および各構成部品における冷媒の状態に基づいて以下に簡単に説明する。

蒸発器１０４で外部から熱を奪いながら蒸発した低圧低温の気相の二酸化炭素は、圧縮機１０１へ送られる。この蒸発器１０４における状態は、図２の４〜１に対応する。二酸化炭素冷媒は、温度は低温で一定のままであるが、外部から熱を奪うことによってエンタルピーは増大して、液相から気化し続けて飽和蒸気線に近付く。

この低圧低温の気相の二酸化炭素は、圧縮機１０１で断熱圧縮されて高圧高温の気相の二酸化炭素になり、凝縮器２へ送られる。この圧縮機１０１における状態は、図２の１〜２に対応する。二酸化炭素冷媒は、温度が上昇した過熱状態の気相の二酸化炭素になる。

温度が上昇した過熱状態の気相の二酸化炭素は、凝縮器１０２において放熱し冷却される。この凝縮器１０２における状態は、図２の２〜３に対応する。過熱状態の気相の二酸化炭素（図２の２）から、超臨界圧の状態で冷却されてエンタルピーが減少し、液相の二酸化炭素になる（図２の３）。この凝縮器１０２において、気相の二酸化炭素冷媒から放出される熱を利用して、水用の配管１０６から導入される水を加熱して、暖房または給湯に用いる。

高圧で温度が低下した液相の二酸化炭素は、凝縮器１０２から膨張弁１０３へ送られる。膨張弁１０３で、液相の二酸化炭素は、圧力が急激に低下しかつ温度が急激に低下して、低圧低温の液相の二酸化炭素になる。この膨張弁１０４における状態は、図２の３〜４に対応する。二酸化炭素は、エンタルピーが同一で温度が急激に低下する。

低圧低温の液相の二酸化炭素は、再び蒸発器１０４で外部から熱を奪い蒸発して、図２の４〜１に対応する状態になり、低圧低温の気相の二酸化炭素になる。

二酸化炭素冷媒がこのようなサイクルを繰り返すことによって、ヒートポンプ１００が動作して、凝縮器１０２において水を加熱する。

このように動作するヒートポンプにおいて冷媒として二酸化炭素を用いることは、普及利用されているが、二酸化炭素冷媒の作動圧が、約１０ＭＰａと他の冷媒と比べると非常に高く、そのため、ヒートポンプにおける各構成部品を超高圧仕様にしなければならない問題があった。そのため、作動圧が低い冷媒の開発が大きな課題となっている。

本発明者らは、例えば特願２００５−５５９５７公報で開示するように、二酸化炭素超臨界冷媒に代わる、オゾン層破壊の危険性がなく、地球温暖化に及ぼす悪影響が小さく、かつ不燃性ないし難燃性で、低圧において作動する等の優れた性能を有する、安全で毒性のない給湯／暖房用冷媒組成物を提供するために、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を用いることを見出した。

すなわち、物性的に伝熱効果の高い二酸化炭素（０．０２Ｗ／ｍＫ）とより高い比熱を有するジメチルエーテル（１３８Ｊ／ｍｏｌＫ）とを混合することによって、極めて高い熱効率を示す物性になり、低圧で作動する成績係数（ＣＯＰ）の優れた暖房用／給湯用冷媒となることを見出した。このジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用した暖房用／給湯用ヒートポンプは、外気温５℃程度の条件下で、数値シミュレーションと実証実験の結果、３．５ＭＰａ以下の低圧で作動し、かつ高い成績係数（ＣＯＰ）が得られることが判明した。

このように、二酸化炭素冷媒と比べて低圧で作動するジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を、暖房用／給湯用冷媒として用いると、温暖地では全く問題なく良好に動作するが、特に寒冷地、例えば北海道の札幌など冬季に外気温が零下１０℃以下になる場合には、効率が著しく低下する問題があった。

このジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を、寒冷地において外気温が低い場合に効率が低下する問題について、図３を参照して説明する。図３は、図２と同様に、横軸がエンタルピーを表しかつ縦軸が温度を表す線図であり、冷媒としてジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を用いた場合のサイクルを示す線図である。

ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒は、非共沸特性を有する。そのために、図３の１４〜１１に示してあるように、蒸発時に温度が一定ではなく、蒸発するにつれて蒸発温度が上昇する性質を持っている。

寒冷地で外気温（図３の線１５）が低い場合には、図３に示される点１７において、蒸発器１０４における混合物冷媒の温度と、外気温とが等しくなり、点１７より右側では、混合物冷媒の温度が外気温より高い状態になる。このように、蒸発器１０４内での混合物冷媒の温度が外気温より高くなると、混合物冷媒の蒸発過程の途中で外気から熱を得ることができなくなる。そのため、混合物冷媒の蒸発が蒸発器１０４で完了しないことになり、ヒートポンプの効率が低下する。

この問題を解決する１つの方法として、蒸発器１０４における混合物冷媒の蒸発温度が、蒸発の最終過程においても外気温より低くなるように、蒸発圧力をさらに低下させて、混合物冷媒の温度を低下させる方法が考えられる。このサイクルを図４に示す。この図４も、図２および図３と同様に横軸がエンタルピーを表しかつ縦軸が温度を表す線図で表す。図４における２４〜２１が、蒸発器１０４での混合物冷媒の蒸発過程での温度であり、外気温１５より低くなっている。

しかしながら、この方法は、圧縮機１０１における圧縮仕事を増大させ、成績係数（ＣＯＰ）が低下するという他の問題を生じる。さらに、蒸発器１０４全体がより低圧になると、蒸発過程での圧力損失でさらに成績係数（ＣＯＰ）が低下する。また、寒冷地で外気温が低下している状態では、混合物冷媒の蒸発圧力が低下して、圧縮機１０１が循環できる混合物冷媒の流量の低下も招くことになる。以上のように、蒸発器１０４における混合物冷媒の蒸発温度が、蒸発の最終過程においても外気温より低くなるように、蒸発圧力をさらに低下させる方法は、他の問題を生じるために好ましい方法ではない。

一方、ヒートポンプにおいて、膨張弁１０３の代わりにエジェクタを使用する方法が提案されている。例えば、万尾達徳、谷野正幸、岡崎多佳志、井上誠司著、「エジェクタを用いた冷媒再循環による冷凍サイクルの性能向上」、高砂熱学工業総合研究所報、第１８号、頁１０５〜１１５、２００４年を参照されたい。

膨張弁１０３で冷媒が膨張するとき、圧力と熱のエネルギーの一部は、冷媒流体の運動エネルギーに変換されて、冷媒流体の乱流という形態になる。この運動エネルギーは、圧縮機１０１の圧縮仕事の１５％を占め、通常はただ無駄に熱エネルギーに変えられていた。しかし、膨張弁の代わりに二相流エジェクタを使用することにより、凝縮器１０２で凝縮した高温高圧の液相の冷媒は、エジェクタのノズルで減圧加速され、高速の二相流となる。さらに、この二相流エジェクタは、蒸発器１０４で吸熱して気相となった冷媒をエジェクタの出口部にあるディフューザで減速昇圧させる。

冷媒の二相流は、気液分離器で気相の冷媒と液相の冷媒とに分離されて、液相の冷媒は蒸発器へ送られ、気相の冷媒は圧縮機に送られる。エジェクタのディフューザで、高速の二相流の運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されるため、圧縮機の圧縮仕事が軽減されて成績係数（ＣＯＰ）が向上する。また、膨張弁を備える冷凍サイクルでは熱に変えられて、低温の冷媒を暖めていたエネルギーが取り除かれるので、冷凍能力が向上する。

膨張弁の代わりにエジェクタを用いた、二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプにおけるサイクルを、図２から図４と同様の横軸がエンタルピーを表しかつ縦軸が温度を表す線図である図５に表す。図５の３〜４’が、エジェクタによる二酸化炭素冷媒の状態に対応する。

ヒートポンプサイクルで膨張弁の代わりにエジェクタを用いる技術は、膨張弁で無駄に消費されていたエネルギーを無くして、圧縮機の仕事を軽減することを目的に検討されていた。ヒートポンプサイクルにおいて膨張弁の代わりに、エジェクタを多段構成で用いることを、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を寒冷地においてヒートポンプに使用するときの効率が低下する問題を解決するための手段として用いるという発想は、これまでなされておらず、また検討もされなかった。
特願２００５−５５９５７公報 万尾達徳、谷野正幸、岡崎多佳志、井上誠司著、「エジェクタを用いた冷媒再循環による冷凍サイクルの性能向上」、高砂熱学工業総合研究所報、第１８号、頁１０５〜１１５、２００４年

本発明は、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を暖房用／給湯用冷媒として用いたときに、寒冷地で効率が著しく低下する問題を解消するヒートポンプのサイクルシステムを提供するものである。

請求項１に係る発明によれば、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用した寒冷地対応ヒートポンプのサイクルシステムであって、
低圧低温の気相のジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を吸入圧縮して、高圧高温の気相の混合物冷媒にする圧縮機と、
圧縮機に接続され、かつ高圧高温の気相の混合物冷媒を液相に凝縮し放熱させて、高圧の液相の混合物冷媒にする凝縮器と、
凝縮器から圧縮機への液相の混合物冷媒の流れ方向に直列に配置され、かつ液相の混合物冷媒の少なくとも一部をそれぞれ蒸発させて、気相の混合物冷媒にする複数の蒸発器と、
複数の蒸発器に送られる液相の混合物冷媒をそれぞれ減圧膨張・加速させて、液相の混合物冷媒の温度を低下させるための複数のエジェクタとを備え、
各蒸発器において混合物冷媒が蒸発するときの温度が、エジェクタによって混合物冷媒の温度を低下させることによって、外気温より高くならないことを特徴とする。

このような複数の蒸発器および複数のエジェクタを有する構成によって、外気温が零下１０℃以下になる場合もある寒冷地であっても、各蒸発器において混合物冷媒が蒸発するときの温度が、エジェクタによって低下されて、外気温より高くならない。そのため、低圧で作動しかつ成績係数（ＣＯＰ）の優れた冷媒であるジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用して、効率が低下しないヒートポンプのサイクルシステムを提供することができる。

請求項２に係る発明によれば、複数の蒸発器が、第１の蒸発器と第２の蒸発器とを備え、複数のエジェクタが、第１段のエジェクタと第２段のエジェクタとを備え、
第１段のエジェクタが、凝縮器から送られる高圧の液相の混合物冷媒と、第１の蒸発器からの気相の混合物冷媒とを含む混合物冷媒を減圧膨張・加速させて、温度を低下させた混合物冷媒にし、
第１の蒸発器が、第１のエジェクタからの温度を低下させた混合物冷媒の一部を蒸発させ、
第２段のエジェクタが、第１の蒸発器からの混合物冷媒を、減圧膨張・加速させて再度温度を低下させて第２の蒸発器へ引き込み、かつ第１のエジェクタからの混合物冷媒の一部、および第２の蒸発器からの混合物冷媒を圧縮機に送り、
第２の蒸発器が、第１の蒸発器から引き込まれ再度温度を低下させた混合物冷媒を蒸発させることを特徴とする。

このような２台の蒸発器および２段のエジェクタを有する構成によって、比較的簡単な構成を用いて、寒冷地であっても、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用した、効率が低下しないヒートポンプのサイクルシステムを提供することができる。

請求項３に係る発明によれば、第１段のエジェクタと第１の蒸発器との間に第１の気液分離器を備え、第１の蒸発器と第２の蒸発器との間に第２の気液分離器を備え、
第１の気液分離器が、第１段のエジェクタからの気相および液相が混在する混合物冷媒を、気相の混合物冷媒と液相の混合物冷媒とに分離し、気相の混合物冷媒を第２段のエジェクタへ送り、液相の混合物冷媒を第１の蒸発器へ送り、
第２の気液分離器が、第１の蒸発器からの気相および液相が混在する混合物冷媒を、気相の混合物冷媒と液相の混合物冷媒とに分離し、気相の混合物冷媒を第１段のエジェクタへ送り、液相の混合物冷媒を第２の蒸発器へ送ることを特徴とする。

このように気液分離器を備える構成により、気相および液相が混在する混合物冷媒を気相と液相とに分離して、混合物冷媒を効率的に利用したヒートポンプのサイクルシステムを提供することができる。

請求項４に係る発明によれば、第２段のエジェクタと圧縮機との間に第３段のエジェクタを備え、第２の蒸発器と第３段のエジェクタとの間に第３の蒸発器を備え、
第３段のエジェクタが、第２の蒸発器からの混合物冷媒を、減圧膨張・加速させて再度温度を低下させて第３の蒸発器へ引き込み、かつ第２段のエジェクタからの混合物冷媒の一部、および第３の蒸発器からの混合物冷媒を圧縮機に送り、
第３の蒸発器が、第２の蒸発器から引き込まれ再度温度を低下させた液相の混合物冷媒を蒸発させることを特徴とする。

このような３台の蒸発器および３段のエジェクタを有する構成によって、２台の蒸発器および２段のエジェクタの構成で対応できないような外気温がより低温である場合であっても、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用した、効率が低下しないヒートポンプのサイクルシステムを提供することができる。

請求項５に係る発明によれば、第２の蒸発器と第２段のエジェクタとの間に第３の気液分離器を備え、
第３の気液分離器が、第２の蒸発器からの気相および液相が混在する混合物冷媒を、気相の混合物冷媒と液相の混合物冷媒とに分離し、気相の混合物冷媒を第２段のエジェクタへ送り、液相の混合物冷媒を第３の蒸発器へ送ることを特徴とする。

３台の蒸発器および３段のエジェクタを有する構成において、気液分離器を備えることによって、気相および液相が混在する混合物冷媒を気相と液相とに分離して、混合物冷媒を効率的に利用したヒートポンプのサイクルシステムを提供することができる。

請求項６に係る発明によれば、外気温を検知する外気温検知手段と、第２の蒸発器からの出力を、第３の気液分離器を介して第３の蒸発器へ接続するかまたは第２段のエジェクタに直接接続するかを切り替える第１の切替手段と、第２段のエジェクタからの出力を、第３段のエジェクタを介して圧縮機に接続するかまたは圧縮機に直接接続するかを切り替える第２の切替手段とを備え、
該外気温検知手段が検知した外気温に応じて、第１の切替手段および第２の切替手段を用いて、第２の蒸発器からの混合物冷媒を、第２段のエジェクタを介して直接圧縮機へ送るか、あるいは第３の気液分離器、第３の蒸発器、および第３段のエジェクタを介して圧縮機へ送るかを切り替えることを特徴とする。

このような外気温に応じて蒸発器の台数およびエジェクタの段数を切り替える構成を有することによって、外気温に対して最適な台数の蒸発器および段数のエジェクタを有するヒートポンプのサイクルシステムを提供することができる。

請求項７に係る発明によれば、外気温を検知する外気温検知手段と、該外気温検知手段が検知した外気温に応じて、ジメチルエーテルと二酸化炭素の混合物冷媒の混合比を変更するための混合比変更手段を備えることを特徴とする。

このような外気温に応じて混合物冷媒における混合比を変更する構成を有することによって、外気温により適した混合比のジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用した、ヒートポンプのサイクルシステムを提供することができる。

請求項８に係る発明によれば、凝縮器から送られる液相の混合物冷媒と、圧縮機へ送られる気相の混合物冷媒との間で熱交換する内部熱交換器を備え、凝縮器から送られる液相の混合物冷媒の温度をより低下させ、かつ圧縮機へ送られる気相の混合物冷媒の温度をより上昇させることを特徴とする。

このような内部熱交換器を備える構成を有することによって、圧縮機に送られる気相の混合物冷媒の温度がより高くなり、それに伴い圧縮機出口での気相の混合物冷媒の温度をより高くすることができ、サイクル効率の向上を計り、圧縮機の圧縮仕事を低減することができる。また、凝縮器から送られる液相の混合物冷媒の温度が低下し、蒸発器に入る液相の混合物冷媒の流量が増加し、液相の混合物冷媒の二酸化炭素濃度が高くなり、吸熱量が増加する。

請求項９に係る発明によれば、圧縮機へ送られる気相の混合物冷媒と、外気との間で熱交換する外部熱交換器を備え、圧縮機へ送られる気相の混合物冷媒の温度をより上昇させることを特徴とする。

このような外部熱交換器を備える構成を有することによって、外気温より低い温度で蒸発した気相の混合物冷媒の温度がより高くなり、それに伴い圧縮機出口での気相の混合物冷媒の温度をより高くすることができ、サイクル効率の向上を計り、圧縮機の圧縮仕事を低減することができる。

請求項１０に係る発明によれば、暖房システムが、上述のようなサイクルシステムを有する特徴とする。

外気温が零下１０℃以下になる場合もある寒冷地であっても、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用して効率が低下しないヒートポンプのサイクルシステムを用いた暖房システムを提供することができる。

請求項１１に係る発明によれば、給湯システムが、上述のようなサイクルシステムを有する特徴とする。

外気温が零下１０℃以下になる場合もある寒冷地であっても、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用して効率が低下しないヒートポンプのサイクルシステムを用いた給湯システムを提供することができる。

図６に、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を用いたヒートポンプのサイクルシステムに、膨張弁の代わりに多段エジェクタ（図６に示される例では３段のエジェクタ）を設けた本発明によるサイクルを、図２から図５と同様の横軸がエンタルピーを表しかつ縦軸が温度を表す線図で示す。

図６で、１３〜３４が１段目のエジェクタ、３５〜３６が２段目のエジェクタ、および３７〜３８が３段目のエジェクタでのジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒の状態を示す。また、３４から３５が第１の蒸発器、３６から３７が第２の蒸発器、および３８から３１が第３の蒸発器での混合物冷媒の状態を示す。各蒸発器における混合物冷媒の温度が、外気温１５より常に低いことが示されている。

図７に、本発明の第１の実施形態である、２台の蒸発器および２段のエジェクタを用いた暖房用／給湯用ヒートポンプの構成図を示す。

図７に示されるヒートポンプは、圧縮機２０１、凝縮器２０２、１段目のエジェクタ２０３、２段目のエジェクタ２１３、第１の蒸発器２０４、第２の蒸発器２１４、第１の気液分離器２２１、第２の気液分離器２２２、第１の膨張弁２３１、第２の膨張弁２３２、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒用の配管２０５、加熱されるべき水用の配管２０６、外気を第２の蒸発器２１４へ導入するための配管２４０、外気を第２の蒸発器２１４から排出するための配管２４１、外気を第１の蒸発器２０４へ導入するための配管２４２、および外気を第１の蒸発器２０４から排出するための配管２４３を備える。

図７の矢印で示されるように、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒は、以下のように循環する。

低圧低温の気相のジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒は、圧縮機２０１で断熱圧縮されて高圧高温の気相の混合物冷媒になり、凝縮器２０２へ送られる。

高圧高温の気相の混合物冷媒は、凝縮器２０２において放熱し冷却されて、高圧の液相の混合物冷媒になる。凝縮器２０２において、高圧高温の気相の混合物冷媒から放出される熱を利用して、水用の配管２０６から導入される水を加熱して、暖房または給湯に用いる。

高圧の液相の混合物冷媒は、凝縮器２０２から第１のエジェクタ２０３へ送られる。ここで、第１のエジェクタ２０３は、二相流エジェクタ２０３である。

二相流エジェクタ２０３の構成を図８に示す。二相流エジェクタ２０３は、ノズル部４０１と、混合部４０２と、ディフューザ部４０３とを備える。凝縮器２０２から送られる高圧の液相の混合物冷媒４１０は、ノズル部４０１に導入され、第１の気液分離器２２１および第２のエジェクタ２１３を介して、圧縮機２０１によって引き込まれて減圧加速される。そのときに生じる差圧によって、図８においてノズル部４０１の下方に示される開口部から、第２の気液分離器２２２からの気相の混合物冷媒４２０を吸引する。二相流エジェクタ２０３の混合部４０２において、ノズル部４０１からの混合物冷媒の高速ミスト流と気相の混合物冷媒とが混合される。さらに、二相流エジェクタ２０３のディフュ−ザ部４０３において、液相および気相が混在する状態の混合物冷媒の速度エネルギーが圧力エネルギーに変換される。

第１のエジェクタ２０３からの液相および気相が混在する状態で温度を低下された混合物冷媒は、第１の気液分離器２２１で、液相の混合物冷媒と気相の混合物冷媒とに分離される。気相の混合物冷媒は、第２のエジェクタ２１３へ送られ、液相の混合物冷媒は、第１の膨張弁２３１を介して第１の蒸発器２０４へ送られる。

第１の蒸発器２０４へ送られた液相の混合物冷媒は、配管２４１から導入される外気から熱を奪って、その一部が蒸発する。第１の蒸発器２０４で熱が奪われて低温になった外気は、配管２４２を介して排出される。第１の蒸発器２０４において、混合物冷媒は蒸発しながら温度が上昇するが、その混合物冷媒の温度が外気温より高くならないように、本発明ではさらなる第２の蒸発器２１４および第２段のエジェクタ２１４が設けられている。

第１の蒸発器２０４で一部が蒸発して温度が上昇した、液相および気相が混在する状態の混合物冷媒は、第２の気液分離器２２２で、液相の混合物冷媒と気相の混合物冷媒とに分離される。気相の混合物冷媒は、第１のエジェクタ２０３へ送られ、液相の混合物冷媒は、第２の膨張弁２３２を介して、第２のエジェクタ２１３によって第２の蒸発器２１４に引き込まれる。そのとき、減圧されて再度温度が低下される。

そのため、第２の蒸発器２１４における混合物冷媒は、蒸発しながらその温度が上昇しても外気温より高くならない。なお、第２の蒸発器２１４および第１の蒸発器２０４のそれぞれに外気が導入される。

第２の蒸発器２１４で蒸発した気相の混合物冷媒、および第１の気液分離器２２１で分離された気相の混合物冷媒は、第２のエジェクタ２１３を介して圧縮機２１０へ送られる。

ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒は、このような２段のエジェクタ２０３および２１３を備えるサイクルによって、各蒸発器２０４および２１４における混合物冷媒の蒸発温度が、外気温より高くならないように制御される。

このように多段のエジェクタを組み込むことによって、各蒸発器での混合物冷媒の蒸発過程で、混合物冷媒の圧力を低下させその温度を下げて、外気温より混合物冷媒の温度が高くなることを防ぎ、混合物冷媒の蒸発を完了させることができる。混合物冷媒の蒸発圧力を下げるときに、エジェクタで動力を回収することで、圧縮機の圧縮仕事の増大を避け、成績係数（ＣＯＰ）の低下を防ぐことができる。また、エジェクタを組み込むことによって、蒸発器全体が低圧にならないので、蒸発過程での圧力損失を低減でき、成績係数（ＣＯＰ）の低下を防ぐことができる。さらに、エジェクタを使用することにより、蒸発器から送られる気相の混合物冷媒を、比較的高い圧力に保つことができ、寒冷地において外気温が低い場合でも、混合物冷媒の流量の低下を低減できる。

図９に、本発明の第２の実施形態である、３台の蒸発器および３段のエジェクタを用いた暖房用／給湯用ヒートポンプの構成図を示す。

図９に示されるヒートポンプは、圧縮機３０１、凝縮器３０２、１段目のエジェクタ３０３、２段目のエジェクタ３１３、３段目のエジェクタ３２３、第１の蒸発器３０４、第２の蒸発器３１４、第３の蒸発器３２４、第１の気液分離器３２１、第２の気液分離器３２２、第３の気液分離器３２３、第１の膨張弁３３１、第２の膨張弁３３２、第３の膨張弁３３３、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒用の配管３０５、加熱されるべき水用の配管３０６、外気を第３の蒸発器３２４へ導入するための配管３４０、外気を第３の蒸発器３２４から排出するための配管３４１、外気を第２の蒸発器３１４へ導入するための配管３４２、外気を第２の蒸発器３１４から排出するための配管３４３、外気を第１の蒸発器３０４へ導入するための配管３４４、および外気を第１の蒸発器３０４から排出するための配管３４５を備える。

図７に示される２台の蒸発器および２段のエジェクタを用いた暖房用／給湯用ヒートポンプの構成に対して、３段目のエジェクタ３２３、第３の蒸発器３２４、第３の気液分離器３２３、第３の膨張弁３３３、および外気を導入するための配管などが追加されている。

図９に示されるヒートポンプは、さらに、外部熱交換器３５０、内部熱交換器３６０、およびジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒の混合比を変更するための混合比変更手段３７０を備える。

図９に示される３台の蒸発器および３段のエジェクタを用いた暖房用／給湯用ヒートポンプにおけるジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒は、図７を参照して上述された２台の蒸発器および２段のエジェクタを用いたヒートポンプの場合とほぼ同じように循環する。異なるところは、第２の蒸発器３１４から送られるジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒が、気相ではなく、液相および気相が混在する状態の混合物冷媒であり、第３の気液分離器３２３によって、気相の混合物冷媒と液相の混合物冷媒とに分離される。気相の混合物冷媒は、第２のエジェクタ３１３へ送られ、液相の混合物冷媒は、第３の膨張弁３３３を介して第３の蒸発器３２４へ送られる。

液相の混合物冷媒は、第３のエジェクタ３２３を介して圧縮機３０１によって第３の蒸発器３２４に引き込まれ、減圧されて低温になる。第２の蒸発器３１４における蒸発で温度が上昇した液相の混合物冷媒は、この第３のエジェクタ３２３の作用によって再度温度が低下され、第３の蒸発器３２４で混合物溶媒が蒸発して温度が上昇しても外気温より高くならない。第３の蒸発器３２４で蒸発した気相の混合物冷媒は、第３のエジェクタを介して圧縮機３０１へ送られる。

ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒は、このような３段のエジェクタ３０３、３１３、および３２３を備えるサイクルによって、各蒸発器３０４、３１４、および３２４における混合物冷媒の蒸発温度が、外気温より高くならないように制御される。そのため、外気温がさらに低い場合であっても、上述の２台の蒸発器および２段エジェクタの構成と同様の効果を得ることができる。

なお、多段エジェクタ構成を有する本発明のヒートポンプのサイクルシステムにおいて、外気温に応じて最適な数の蒸発器および段数のエジェクタの構成に切り替えることができる。そのために、図示されていない外気温を検出する外気温検知手段を備えることができる。外気温検知手段は、どのような手段であっても良く、検知した外気温を電気信号の形態で出力できる手段が望ましい。

図９には図示されていないバルブなどの第１の切替手段および第２の切替手段を備えることができ、第１の切替手段は、第２の蒸発器３１４からの出力を、第３の気液分離器３２３を介して第３の蒸発器３２４へ接続するか、または第２段のエジェクタ３１３に直接接続するかを切り替える。第２の切替手段は、第２段のエジェクタ３１３からの出力を、第３段のエジェクタ３２３を介して圧縮機３０１に接続するか、または圧縮機３０１に直接接続するかを切り替える。外気温検知手段が検知した外気温が、所定の閾値より高い場合には、第１の切替手段および第２の切替手段を用いて、第２の蒸発器３１４からの混合物冷媒を、第２段のエジェクタ３１３を介して直接圧縮機３０１へ送り、２台の蒸発器および２段エジェクタを有する構成とする。また、外気温検知手段が検知した外気温が、所定の閾値より低い場合には、第１の切替手段および第２の切替手段を用いて、第２の蒸発器３１４からの混合物冷媒を、第３の気液分離器３２３、第３の蒸発器３２４、および第３段のエジェクタ３２３を介して圧縮機３０１へ送り、３台の蒸発器および３段エジェクタを有する構成とする。なお、さらなる切替手段を設けて、１段エジェクタおよび１台の蒸発器だけを有する構成にすることも可能である。

また、外気温に応じた最適なヒートポンプを達成する別の方法として、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒の混合比を変更するための混合比変更手段３７０を用いる方法も考えられる。外気温検知手段によって検知された外気温に応じて、混合比変更手段３７０によってジメチルエーテルと二酸化炭素との混合比を変更して、最適な混合比の混合物冷媒によって効率の良い動作を可能にすることができる。このような構成によって、圧縮機３０１入口の混合物冷媒の圧力を高く保つことができ、混合物冷媒の流量の低下を防ぐことができる。なお、混合比変更手段を備える構成と、蒸発器の台数およびエジェクタの段数を切り替える構成とを併用することもできる。

内部熱交換器３６０は、凝縮器３０２から送られる高圧の液相の混合物冷媒と、圧縮機３０１へ送られる気相の混合物冷媒との間で熱交換するためのものである。この内部熱交換器３６０によって、凝縮器３０２から送られる液相の混合物冷媒は、温度がより低下し、かつ圧縮機３０１へ送られる気相の混合物冷媒は、温度がより上昇する。圧縮機３０１に送られる気相の混合物冷媒の温度がより高くなりため、圧縮機３０１出口での気相の混合物冷媒の温度をより高くすることができ、サイクル効率の向上が計かられ、圧縮機３０１の圧縮仕事を低減することができる。

また、凝縮器３０２から送られる高圧の液相の混合物冷媒の温度がさらに低下して、第１の蒸発器３０４に入る液相の混合物冷媒の流量が増加し、液相の混合物冷媒の二酸化炭素濃度が高くなり、吸熱量が増加する。

この様子が図１０に示されている。図１０の左側は、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を用いて膨張弁を使用するサイクルの場合の内部熱交換器の効果を示す、横軸がエンタルピーでありかつ縦軸が温度の線図である。図１０の右側は、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒の気液平衡線図を示す。図１０の右側の気液平衡線図は、縦軸が温度を表し、横軸がジメチルエーテル（ＤＭＥ）および二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度を表し、５０は気相線であり、６０は液相線である。但し、図１０の左側の線図と図１０の右側の気液平衡線図との温度スケールは異なる。

図１０の左側の線図で、４３〜４３’が内部熱交換器によって、混合物冷媒の温度が低下されている状態である。内部熱交換器を介さずに圧力が低下されて到達する温度４４と、内部熱交換器を介して温度が低下した状態で圧力が低下されて到達する温度４４’とは異なる。これらの温度４４および４４’に対応するのが、図１０右側の気液平衡線図における温度７４および７４’である。これらの温度７４および温度７４’の差７５によって、液相線６０で示される二酸化炭素の濃度８４と濃度８４’との間には差８５が存在する。この差８５は、液相の混合物冷媒における二酸化炭素の濃度の差であり、内部熱交換器の存在によって、蒸発器に送られる液相の混合物冷媒における二酸化炭素濃度が増大し、吸熱量が増大することになる。

外部熱交換器３５０は、圧縮機３０１へ送られる気相の混合物冷媒と、外気との間で熱交換するものである。この外部熱交換器３５０によって、圧縮機３０１へ送られる気相の混合物冷媒の温度がより上昇し、圧縮機３０１出口での気相の混合物冷媒の温度をより高くすることができ、サイクル効率の向上が計かられ、圧縮機３０１の圧縮仕事を低減することができる。

このような内部熱交換器および外部熱交換器は、２台の蒸発器および２段エジェクタの構成を有するヒートポンプ、および３台より多い蒸発器および３段より多い段数のエジェクタの構成を有するヒートポンプにも、もちろん適用可能である。

図７および図９に示されるヒートポンプの構成は一例であって、様々な変更および修正が可能である。

以上のように、本発明によれば、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を暖房用／給湯用冷媒として用いたときに、寒冷地で効率が著しく低下する問題を解消した、多段エジェクタを組み込んだヒートポンプのサイクルシステムを提供することができる。またこのようなサイクルシステムを用いた、暖房システムまたは給湯システムを提供することができる。

二酸化炭素を利用した暖房用／給湯用ヒートポンプの代表的な構成図を示す。 二酸化炭素を冷媒として利用した従来のサイクルを示す、横軸がエンタルピーでありかつ縦軸が温度の線図である。 寒冷地においてジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用したサイクルでの効率低下を説明する、横軸がエンタルピーでありかつ縦軸が温度の線図である。 蒸発器における混合物冷媒の蒸発温度が、蒸発の最終過程においても外気温より低くなるように、蒸発圧力をさらに低下させる方法を示す、横軸がエンタルピーでありかつ縦軸が温度の線図である。 膨張弁の代わりにエジェクタを用いた、二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプにおけるサイクルを示す、横軸がエンタルピーでありかつ縦軸が温度の線図である。 ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を用いたヒートポンプに、膨張弁の代わりに多段エジェクタを設けた本発明によるサイクルを示す、横軸がエンタルピーを表しかつ縦軸が温度を表す線図である。 本発明の第１の実施形態である、２台の蒸発器および２段のエジェクタを用いたヒートポンプの構成図を示す。 二相流エジェクタの構成図を示す。 本発明の第２の実施形態である、３台の蒸発器および３段のエジェクタを用いたヒートポンプの構成図を示す。 内部熱交換器の作用を示す図である。

符号の説明

１０１、２０１、３０１ 圧縮機
１０２、２０２、３０２ 凝縮器
１０３、２３１、２３２、３３１、３３２、３３３ 膨張弁
１０４、２０４、２１４、３０４、３１４、３２４ 蒸発器
１０５、２０５、３０５ 冷媒用の配管
１０６、２０６、３０６ 水用の配管
２０３、２１３、３０３、３１３、３２３ エジェクタ
２２１、２２４、３２１、３２２、３２３ 気液分離器
２４０、２４１、２４２、２４３、３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５ 外気用の配管
３５０ 外部熱交換器
３６０ 内部熱交換器
３７０ 混合比変更手段
４０１ ノズル部
４０２ 混合部
４０３ ディフューザ部

Claims (11)

1. ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用した寒冷地対応ヒートポンプのサイクルシステムであって、
   低圧低温の気相のジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を吸入圧縮して、高圧高温の気相の混合物冷媒にする圧縮機と、
   圧縮機に接続され、かつ高圧高温の気相の混合物冷媒を液相に凝縮し放熱させて、高圧の液相の混合物冷媒にする凝縮器と、
   凝縮器から圧縮機への液相の混合物冷媒の流れ方向に直列に配置され、かつ液相の混合物冷媒の少なくとも一部をそれぞれ蒸発させて、気相の混合物冷媒にする複数の蒸発器と、
   複数のエジェクタとを備え、前記エジェクタそれぞれが、各蒸発器に対応して設けられ、前記エジェクタが、対応する蒸発器に送られる液相の混合物冷媒を減圧膨張・加速させて、液相の混合物冷媒の温度を低下させ、
   前記各蒸発器において混合物冷媒が蒸発するときの温度が、エジェクタによって混合物冷媒の温度を低下させることによって、外気温より高くならないことを特徴とするサイクルシステム。
2. 前記複数の蒸発器が、第１の蒸発器と第２の蒸発器とを備え、前記複数のエジェクタが、第１段のエジェクタと第２段のエジェクタとを備え、
   第１段のエジェクタが、凝縮器から送られる高圧の液相の混合物冷媒と、第１の蒸発器からの気相の混合物冷媒とを含む混合物冷媒を減圧膨張・加速させて、温度を低下させた混合物冷媒にし、
   第１の蒸発器が、第１のエジェクタからの温度を低下させた混合物冷媒の一部を蒸発させ、
   第２段のエジェクタが、第１の蒸発器からの混合物冷媒を、減圧膨張・加速させて再度温度を低下させて第２の蒸発器へ引き込み、かつ第１のエジェクタからの混合物冷媒の一部、および第２の蒸発器からの混合物冷媒を圧縮機に送り、
   第２の蒸発器が、第１の蒸発器から引き込まれ再度温度を低下させた混合物冷媒を蒸発させることを特徴とする、請求項１に記載のサイクルシステム。
3. 第１段のエジェクタと第１の蒸発器との間に第１の気液分離器を備え、第１の蒸発器と第２の蒸発器との間に第２の気液分離器を備え、
   第１の気液分離器が、第１段のエジェクタからの気相および液相が混在する混合物冷媒を、気相の混合物冷媒と液相の混合物冷媒とに分離し、気相の混合物冷媒を第２段のエジェクタへ送り、液相の混合物冷媒を第１の蒸発器へ送り、
   第２の気液分離器が、第１の蒸発器からの気相および液相が混在する混合物冷媒を、気相の混合物冷媒と液相の混合物冷媒とに分離し、気相の混合物冷媒を第１段のエジェクタへ送り、液相の混合物冷媒を第２の蒸発器へ送ることを特徴とする、請求項２に記載のサイクルシステム。
4. 第２段のエジェクタと圧縮機との間に第３段のエジェクタを備え、第２の蒸発器と第３段のエジェクタとの間に第３の蒸発器を備え、
   第３段のエジェクタが、第２の蒸発器からの混合物冷媒を、減圧膨張・加速させて再度温度を低下させて第３の蒸発器へ引き込み、かつ第２段のエジェクタからの混合物冷媒の一部、および第３の蒸発器からの混合物冷媒を圧縮機に送り、
   第３の蒸発器が、第２の蒸発器から引き込まれ再度温度を低下させた液相の混合物冷媒を蒸発させることを特徴とする、請求項２または３に記載のサイクルシステム。
5. 第２の蒸発器と第２段のエジェクタとの間に第３の気液分離器を備え、
   第３の気液分離器が、第２の蒸発器からの気相および液相が混在する混合物冷媒を、気相の混合物冷媒と液相の混合物冷媒とに分離し、気相の混合物冷媒を第２段のエジェクタへ送り、液相の混合物冷媒を第３の蒸発器へ送ることを特徴とする、請求項４に記載のサイクルシステム。
6. 外気温を検知する外気温検知手段と、第２の蒸発器からの出力を、第３の気液分離器を介して第３の蒸発器へ接続するかまたは第２段のエジェクタに直接接続するかを切り替える第１の切替手段と、第２段のエジェクタからの出力を、第３段のエジェクタを介して圧縮機に接続するかまたは圧縮機に直接接続するかを切り替える第２の切替手段とを備え、
   該外気温検知手段が検知した外気温に応じて、第１の切替手段および第２の切替手段を用いて、第２の蒸発器からの混合物冷媒を、第２段のエジェクタを介して直接圧縮機へ送るか、あるいは第３の気液分離器、第３の蒸発器、および第３段のエジェクタを介して圧縮機へ送るかを切り替えることを特徴とする、請求項５に記載のサイクルシステム。
7. 外気温を検知する外気温検知手段と、該外気温検知手段が検知した外気温に応じて、ジメチルエーテルと二酸化炭素の混合物冷媒の混合比を変更するための混合比変更手段を備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のサイクルシステム。
8. 凝縮器から送られる液相の混合物冷媒と、圧縮機へ送られる気相の混合物冷媒との間で熱交換する内部熱交換器を備え、凝縮器から送られる液相の混合物冷媒の温度をより低下させ、かつ圧縮機へ送られる気相の混合物冷媒の温度をより上昇させることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のサイクルシステム。
9. 圧縮機へ送られる気相の混合物冷媒と、外気との間で熱交換する外部熱交換器を備え、圧縮機へ送られる気相の混合物冷媒の温度をより上昇させることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のサイクルシステム。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のサイクルシステムを有することを特徴とする暖房システム。
11. 請求項１から９のいずれか一項に記載のサイクルシステムを有することを特徴とする給湯システム。

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