JP6203277B2 - 凝縮器、凝縮器を使用する方法、凝縮器を製造する方法およびヒートポンプ - Google Patents

Description

本発明は、暖房用、冷房用またはヒートポンプの任意の他の用途に用いられるヒートポンプに関し、特に、この種のヒートポンプの凝縮器に関する。

図５Ａ及び図５Ｂは、特許文献１に示されたヒートポンプを表している。図５Ａは水蒸発器１０をまず備え、その蒸発器１０が作動液体としての水を蒸発させ、出力側において作動蒸気ライン１２内に蒸気を生成する。蒸発器は蒸発空間（図５Ａには図示されていない）を含み、その蒸発空間内では２０ｈＰａ未満の蒸発圧力を生成するよう構成されているので、その蒸発空間内では水が１５℃未満の温度で蒸発することになる。水は、好ましくは地下水であるか、土壌内を非制限的に循環するか若しくは収集管内を循環する塩水、すなわち所定の塩分を有する水であるか、河川水、湖水または海水である。本発明によれば、あらゆる種類の水、すなわち石灰分を含む水、石灰分を含まない水、塩水、又は塩分を含まない水を好適に使用することができる。その理由は、すべての種類の水、即ちこれら「水物質」のすべてが水の好都合な特性を示すからである。その特性とは、「Ｒ７１８」としても知られる水がエンタルピー差の比６を有しており、この比はヒートポンププロセスのために使用可能であって例えばＲ１３４ａなどの典型的に有用なエンタルピー差の比の２倍を超える、という事実である。

水蒸気は、吸入ライン１２を介して、例えばターボ圧縮機の形態を有し図５Ａ内に符号１６で示される例えば遠心圧縮機などのフロー機械を備えた圧縮機／凝縮器システム１４へと送られる。フロー機械は、作動蒸気を少なくとも２５ｈＰａを超える蒸気圧へと圧縮するよう構成されている。２５ｈＰａは約２２℃の凝縮温度に相当し、この温度は、少なくとも比較的暖かい日には、床下暖房のための既に充分な暖房用流れ温度であり得る。さらに高い流れ温度を生成するために、３０ｈＰａを超える圧力がフロー機械１６によって生成されてもよい。３０ｈＰａの圧力は２４℃の凝縮温度に相当し、６０ｈＰａの圧力は３６℃の凝縮温度に相当し、１００ｈＰａの圧力は４５℃の凝縮温度に相当する。床下暖房システムは、非常に寒い日においても、４５℃の流れ温度を用いた充分な程度の暖房を提供できるよう設計されている。

フロー機械は、圧縮された作動蒸気を凝縮するよう構成された凝縮器１８へと接続されている。凝縮によって、作動蒸気に含まれるエネルギーが凝縮器１８へと供給され、次に、送り要素２０ａを介して暖房システムへ供給される。作動流体は、戻り要素２０ｂを介して凝縮器へと流れ戻る。

上述の発明によれば、高エネルギーの水蒸気から熱（エネルギー）をより低温の暖房用水によって直接的に引き出すことが好ましく、この熱（エネルギー）は暖房用水によって吸収され、その暖房用水が温度上昇する。蒸気が凝縮されかつ暖房サイクルに関与するように、ある量のエネルギーが蒸気から取り出される。

つまり、凝縮器又は暖房システムへの材料の導入は出口２２によって調整されており、その調整は、水蒸気の連続的な供給と凝縮にもかかわらず、凝縮器がその凝縮空間においてある最大レベルを常に下回る水位レベルを保つようにするものである。

上述したように、開放サイクルを使用すること、即ち熱源を代表する蒸発水を熱交換器なしで直接的に使用することが好ましい。しかし代替的に、蒸発させるべき水を、最初に外部の熱源によって熱交換器を用いて加熱してもよい。しかしながら、そのような熱交換器はまた、損失と装置の複雑性とをもたらす点にも留意すべきである。

さらに、これまで凝縮器側に必然的に存在していた第２の熱交換器に係る損失を回避する目的で、そこでも媒体を直接的に使用することが好ましい。すなわち、床下暖房システムを備える家屋を例にした場合、蒸発器から来る水を床下暖房器内に直接的に循環させることが好ましい。

代替的に、凝縮器側に熱交換器を配置してもよく、そのような熱交換器は、送り要素２０ａによる供給を受けるとともに戻り要素２０ｂを有しており、その熱交換器は凝縮器内の水を冷却し、したがって典型的には水である別の床下暖房用液体を昇温させる。

水が作動媒体として使用され、さらに地下水のうちの気化した部分のみがフロー機械へと供給されるという事実から、水の純度は重要でない。フロー機械には、凝縮器及び場合によっては直接的に連結される床下暖房器と同じように、常に蒸留水が供給されるので、現状のシステムと比べると、このシステムには保守サービスが少なくて済む。換言すると、このシステムには常に蒸留水しか供給されず、したがって出口２２内の水が汚染されないため、このシステムは自浄式である。

加えて、フロー機械は、航空機のタービンと同様に、圧縮された媒体を例えば油のような問題ある物質に対して接触させないという特性を有している点に注目すべきである。代わりに、水蒸気は、タービン又はターボ圧縮機によってのみ圧縮され、純度に悪影響を及ぼすような油又は他の媒体に接触することがなく、したがって汚染されることがない。

他に制限的な規則がない場合には、出口を通って排出された蒸留水を、再び地下水へと容易に供給することができる。代替的に、規則が求める場合には、この蒸留水を例えば庭又は解放領域などに染み込ませてもよく、又は水路を介して廃水浄化プラントへと供給してもよい。

Ｒ１３４ａに比べて２倍程度良好である有用なエンタルピー差の比を特徴とする作動媒体としての水と、閉鎖しているシステムに対する結果的に軽減された要件（むしろ開放システムが好ましい）との組合せ、及び要求される圧縮係数を効率的にかつ純度に悪影響を及ぼすことなく達成できるフロー機械の使用によって、効率的でかつ環境的に中立なヒートポンププロセスが達成され、このプロセスは、水蒸気が凝縮器内で直接的に凝縮される場合には更に効率的になる。なぜなら、全体のヒートポンププロセスにおいて、ただ１つの熱交換器でさえ必要でなくなるからである。

図５Ｂは異なる圧力とその圧力に関連する蒸発温度とを示す表であり、特に作動媒体としての水に関し、蒸発器では比較的低い圧力が選択されるべきであることがわかる。

高効率のヒートポンプを実現するために、全ての構成要素、即ち蒸発器、凝縮器および圧縮機が好適に設計されることが重要である。

特許文献２には、軽量かつ大容量で強力な遠心圧縮機を備えたヒートポンプシステムが開示されている。第２ステージの圧縮機から流出する蒸気は、環境温度または使用可能な冷却水の温度を超える飽和温度を含み、その結果として放熱を可能にしている。圧縮された蒸気は第２ステージの圧縮機から凝縮器ユニットへと送られ、そのユニットは冷却水散布手段を上部に有する充填ベッドを備え、その冷却水は水循環ポンプによって供給されている。圧縮された水蒸気は凝縮器内の充填ベッドを通過して上昇し、そこで、下方へと流れる冷却水と直接的な対向流接触を持つ。蒸気は凝縮し、冷却水によって吸収される凝縮の潜熱は、凝縮水と冷却水を介して環境へと放出され、それら凝縮水と冷却水は一緒にそのシステムから排出される。凝縮器は、真空ポンプを用いてパイプラインを介して供給される非凝縮性の気体によって連続的に洗浄されている。

凝縮器の中で冷却水と凝縮蒸気とが直接的な対向流接触を持ち、冷却水の方向を一方とし蒸気を他方とする間の角度が１８０度であるような凝縮器は、凝縮が凝縮器の容積全体にわたって最適に分散されないという欠点がある。ここでは、凝縮は常に水と蒸気との間の境界面において発生することになり、その境界面は凝縮器の断面によって規定される。より高度な凝縮性能を達成するためには、凝縮器の断面が拡大される必要があり、又は他のパラメータ、例えば凝縮器を通過する流れや凝縮器内の蒸気圧などが変更される必要があり、それらは全て問題を含む一方で、全体のシステムの望ましくない拡大化、特に凝縮断面の拡大につながってしまう。しかしながら、他方ではシステムが拡大されない場合、対向流方向に作動している凝縮器を含む全体のヒートポンプにとっては、所定の用途、即ち空間に関する状況においてシステム拡大が除外されるような用途に要求され得る性能係数を達成できないという結果になるであろう。

欧州特許第２０１６３４９（Ｂ１）号 ドイツ特許出願公開第４４３１８８７（Ａ１）号

本発明の目的は、より効率的な凝縮とより効率的なヒートポンプとを達成できる、改善された凝縮器の概念を提供することである。

本発明の目的は、請求項１に係る凝縮器、請求項１９に係る凝縮方法または請求項２０に係るヒートポンプにより達成される。

本発明は次の知見に基づいている。即ち、凝縮器の凝縮ゾーンを一方とし、その凝縮器の蒸気入口ゾーンを他方とした場合に、互いの位置関係は、凝縮されるべき蒸気が凝縮ゾーンに対して横側に流入するよう構成されるべきであるという知見である。このようにすれば、凝縮器の体積を拡大させることなく、実際の凝縮を体積凝縮(volume condensation）にすることができる。なぜなら、凝縮されるべき蒸気は、凝縮体積(condensation volume) または凝縮ゾーン内へと、一方向から正面に導入されるだけでなく、横側から好ましくは全ての側方から導入されるからである。これにより、使用可能となる凝縮体積は、外形寸法が同じであっても、直接的な対向流型の凝縮と比較して拡大することが保証されるだけでなく、同時に、凝縮器の効率が他の理由によって改善されることも保証される。

その理由とは、凝縮ゾーン内で凝縮されるべき蒸気が、凝縮液体の流れ方向に対して横切る流れを示すことである。つまり、凝縮されるべき蒸気の好ましい方向は、作動液体の好ましい方向に対して平行でもなく、又は作動液体の好ましい方向に対して逆平行でもなく、横断方向なのである。これにより、使用可能となる凝縮体積をさらに有効に活用できることが保証される。加えて、蒸気が凝縮ゾーンへと横に流入するという事実により、横断方向の流れが既に達成可能であることが分かってきた。

蒸気の流れは凝縮作用の機構によって既に方向転換されている。凝縮器内の周囲の状態に起因して、ここにある蒸気粒子は液体粒子によって「吸い込まれる」。つまり、方向転換は既に凝縮プロセスの一部であり、その凝縮プロセスは、ここでは作動液体に対する実際の熱伝達の一種の「前段階」として起こる。蒸気を凝縮器体積内へと「吸い込む」ことは非常に強烈なプロセスであり、凝縮ゾーン内における蒸気の効率的な横断流れが生成され、蒸気が作動液体の方向に対して略平行に凝縮ゾーン内へと導入され得ることがわかってきた。しかし、横側の導入に起因して、凝縮ゾーンが始まる位置で、又は蒸気が凝縮ゾーンに近づいたときに、方向転換が直接的に発生し、その結果、凝縮ゾーン内において所望の横断流れ方向が達成される。これまで説明したように、このことは、蒸気が正面から凝縮ゾーン内へと導入されるのではなく、横から、しかも好ましくは全周から導入されることで達成される。加えて、凝縮ゾーンの２つの正面のうちの１つへの追加的な導入は絶対必要という訳ではなく、従って、もし追加的導入がない方が構造上有益である場合には、行われる必要がないことが分かってきた。蒸気を凝縮ゾーン内へ横側に導入することは非常に有効であるため、凝縮ゾーンの頂部境界および／または底部境界における追加的な導入は絶対必要という訳ではなく、構造上それが可能である場合にのみ行われ得る。

本発明の好ましい実施形態において、凝縮ゾーンは、主に重力によって凝縮ゾーンの中を頂部から底部へと滴る液滴によって形成される。ここでの蒸気の導入は、水滴の生成とは別の領域において行われる。一実施形態において、水滴は凝縮ゾーンの頂部に位置する穴あきプレートによって生成され、蒸気は液滴が生成される場所の外側の領域に導入される。

本発明の他の実施形態において、凝縮ゾーンは例えばポールリング(Pall rings)などの充填材によって充填され、特に、凝縮ゾーン内に非拘束状態で適用される比較的大きな表面を有する充填材が好ましく、これにより、凝縮ゾーン内の液体内に方向転換または乱流を引き起こし、その結果、未だ凝縮されていない蒸気が凝縮液体のより低温の領域を常に発見できるようになり、そこで効率的に凝縮できるようになる。

本発明の他の実施形態においては、横側の蒸気導入ゾーンは下側が制限されており、そこには、凝縮ゾーン内のプロセスに起因して、作動液体により湿っているが、しかし直接的に「滴下」を受けてはいない充填用粒子もまた存在しているからである。凝縮器内におけるエネルギー的に非常に強力なプロセスによって、液滴が凝縮ゾーンから弾き飛ばされ、それらの液滴は、横側の蒸気導入ゾーンの下方の境界内で使用されて、凝縮器の効率をさらに向上させることになる。

本発明の好ましい一実施形態において、蒸発器からの蒸気の供給は、凝縮器を通過して実行され、この場合、凝縮ゾーンの少なくとも一部の上方であって凝縮ゾーンから離れた位置に圧縮機ホイールが配置されている。圧縮機の吸引ゾーンの幾何学的設計と、蒸発器の上方にある圧縮機の配置とにより、蒸気が上方に引き寄せられることになる。次に、蒸気は圧縮機自身の中で圧縮され、その圧縮機は好ましくはラジアルホイールとして構成されている。しかしながら、ラジアルホイールを使用することは、同時に蒸気を横方向／外向きに方向転換させることになる。これは、凝縮ゾーンの上方で９０度の方向転換が既に行われていることを意味する。このように、容易にかつ特にコンパクトな方法で実現され得る９０度の別の方向転換によって、圧縮された蒸気は次に蒸気導入ゾーン内へと導入され、さらにそこから凝縮ゾーンへと到達し、そこで凝縮されて、そのエネルギーを凝縮により凝縮器内の作動液体に対して放出する。

凝縮ゾーン内への液体の供給は、好ましくは、液体が凝縮ゾーンの頂部に導入されたときに、その液体が既に「回転」を含むように実行される。これにより、液体が、穴あきプレート内の入口から外側に向かって、凝縮ゾーンの上方にある穴あきプレートの上を液体自身の力で流れることを保証し、この流れはその入口の幾何学的設計により誘発された回転に起因したものであり、その結果、凝縮ゾーンに対する滴下液体の急速で効率的でかつ一様な供給が保証される。

これらの手段は全て効率的な凝縮器をもたらし、その凝縮器は、その比較的小さな体積にもかかわらず高い凝縮性能を有する。従って、小さな寸法でかつ高性能のヒートポンプが得られる。

以下に、本発明の好ましい実施形態について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

凝縮ゾーン及び蒸気導入ゾーンを含む凝縮器の概略図である。 本発明の一実施形態に従う凝縮器の主要部分の斜視図である。 液体分散プレートと、蒸気入口ギャップを含む蒸気入口ゾーンと、を示す図である。 蒸気と液体との間のクロスフローを含む体積凝縮の概略図である。 例えばポールリングなどのような投入された乱流発生器を含む凝縮器の断面の概略図である。 水を蒸発させる公知のヒートポンプの全体図である。 作動液体としての水の圧力と蒸発温度とを示す表である。 種々のサイズと形状を持つ好ましい投入要素としてのポールリングを示す。

図１は本発明の一実施形態に係る概略的な凝縮器を示す。

この凝縮器は、作動液体の中で凝縮されるべき蒸気を凝縮するための凝縮ゾーン１００を含み、凝縮ゾーンは体積ゾーン（volume zone）として形成されている。特に、その凝縮ゾーンは頂部１００ａと底部１００ｂと横側境界１００ｃとを含む。横側境界は頂部と底部との間に配置されている。凝縮器は蒸気導入ゾーン１０２を更に含み、この蒸気導入ゾーンは凝縮ゾーン１００の横側端部１００ｃに沿って延びており、凝縮されるべき蒸気を、凝縮ゾーン１００の横側境界１００ｃを介して凝縮ゾーン１００内へと横側に供給するよう構成されている。図２を参照しながら例示的に説明する実施形態において、凝縮ゾーンは円筒形状である一方で、蒸気導入ゾーンは内側が中空の環状円筒となるよう構成されており、その蒸気導入ゾーンの内側の中空部は凝縮ゾーンにより形成されている。しかし、凝縮ゾーンと蒸気導入ゾーンとの両方が円環状の断面を持つ必要はなく、それら断面は、例えば楕円形または他の丸みのある形状など、他の任意の形状を有していても良い。凝縮ゾーンと蒸気導入ゾーンとはまた、必要な外側境界の構成に依存して角状の断面を有してもよいが、しかし、丸い形状、特にその断面において円形の境界を有する丸い形状が好ましい。

更に、凝縮ゾーンの横側境界の面積が頂部境界または底部境界の面積よりも大きくなるように、凝縮ゾーンを構成することが望ましい。このように、凝縮ゾーンの形状は円筒形または立方形であってもよく、その高さは直径または対角線などよりも大きいことが好ましい。

図１はまた、蒸気導入ゾーンが凝縮ゾーンの横側の外周を完全に取り囲むように延びているという事実を示している。このように蒸気導入ゾーンが凝縮ゾーンを完全に取り囲むように延びることは、体積凝縮ゾーン内における体積凝縮の最適な活用を可能にすることから好ましい。しかし同時に、凝縮ゾーン内への横側の蒸気の導入によって、凝縮は横断流れ方向において発生する。即ち、凝縮ゾーンに流入する蒸気を一方とし、凝縮ゾーン内の凝縮液体の動きを他方とした場合、それらが向かう方向は平行でも逆平行でもなく、互いに対して好ましくはほぼ９０度の角度を形成しており、この場合、１０度から１７０度の間の角度であれば、平行に方向付けられた場合と比べて相当な改善が達成され得る。ほぼ９０度の範囲とは、好ましくは６０度から１５０度までの角度が好ましく、これらの角度は特に、凝縮ゾーンの内部または縁部において、蒸気の流れの方向を一方とし、液体の動きの方向を他方とした場合の角度を示す場合に好ましい。蒸気導入ゾーンは凝縮ゾーンの横側縁部の周囲を必ずしも完全に取り囲むように延びる必要はなく、例えば凝縮ゾーンの横側境界の半分又は所定の部分だけを含んでもよいが、完全に周辺を取り囲むことが望ましい。

図２は、凝縮器の好ましい実施形態を示す。図２の凝縮器は、凝縮ゾーン１００を完全に取り囲むように延びる蒸気導入ゾーン１０２を備える。特に、図２は凝縮器ベース２００を含む凝縮器の一部を示す。凝縮器ベースの上には、凝縮器ケース部２０２が配置されており、このケース部は図２では説明の便宜上から透明で示されているが、必ずしも透明である必要はなく、例えばプラスチック、アルミニウムダイキャストその他で形成されてもよい。横側のケース部２０２は、ベース２００との間で良好な封止を達成するように、ワッシャ２０１の上に設置されている。加えて凝縮器は、液体出口２０３と、液体入口２０４と、凝縮器の中央に配置されて図２ではその下部から上部に向かってテーパを持つ蒸気供給部２０５とを含む。図２はヒートポンプとこのヒートポンプの凝縮器との実際に望ましい設定方向を示しており、この図２の設定方向では、ヒートポンプの蒸発器が凝縮器の下方に配置されている点に注意されたい。凝縮ゾーン１００はその外側が籠状の境界物２０７により制限されており、この境界物もまた外側ケース部２０２と同様に透明であるように示されているが、通常は籠状に構成される。

加えて、図２には図示されない充填材を支持するよう構成された格子２０９が設けられている。図２から分かるように、籠部２０７は下方に向かって所定の点までしか延びていない。その籠部２０７は、例えば図６に示すポールリングのような充填材を保持するために、蒸気透過性を持って設けられている。これら充填材は凝縮ゾーン内へと導入されるが、籠部２０７の内部だけであって、蒸気導入ゾーン１０２内には導入されない。しかし、充填材の高さが籠部２０７の下方の境界または幾分かそれを超える高さまで延びるように、充填材は籠部２０７の外側において同じ高さに充填される。

その結果、図４ｂに例示的に示すような状況となり、ここでは、籠部２０７の中の充填材２０８は所定の高さまで延び、一方、蒸気導入ゾーン内およびその下方の充填材は低い高さまでしか延びておらず、その様子は符号２１９を付して概略的に示されている。このように、蒸気導入ゾーンまたは蒸気入口ゾーンはその下側が限定されており、凝縮が乱流発生体または充填材が高さ２１９まで投入された領域で起こる。その凝縮は、凝縮ゾーン内の凝縮によってそこから弾き飛ばされかつ蒸気入口ゾーンの下端部を形成する充填材へと飛行した液滴が、その蒸気導入ゾーンの底端、即ち高さ２１９に「到達」し、未だ実際の凝縮ゾーンによって特に例えば水の下方への滴下などのような状態によって、それまで「吸い取られて」いない蒸気と共に凝縮することに起因して、発生する。

図２の凝縮器は、作動液体供給部を含み、その作動液体供給部は特に、図２に示すように、蒸気供給部の周囲に上昇するよう巻き付けられて配置されている作動液体供給路２０４と、液体移送領域２１０と、好ましくは穴あきプレートとして形成されている液体分散要素２１２とによって形成されている。特に、作動液体供給部は、凝縮ゾーンへと作動液体を供給するよう構成されている。

加えて、蒸気供給部が設けられ、図２に示すように、好ましくは漏斗形状のテーパ型の供給領域２０５と、上部の蒸気案内領域２１３とを含む。蒸気案内領域２１３内には、好ましくは遠心圧縮機のホイールが使用され、その遠心圧縮の結果として、蒸気が下部から上部へと供給部２０５により吸引されて、次にラジアルホイールによって９０度外側へと方向転換される。この方向転換は遠心圧縮に起因するものであり、即ち、図２の構成要素２１３から見て、下部から上部に向かう流れから、中心から外側に向かう流れへと方向転換される。

図２には示していないが、別の方向転換器が存在し、既に外側に向かって方向転換されている蒸気を再度９０度方向転換して、蒸気をギャップ２１５の上部から内部へと案内する。ギャップ２１５の上部は蒸気導入ゾーンの開始点を表し、その蒸気導入ゾーンは凝縮ゾーンの横側を取り巻くように延びる。従って、蒸気供給部は好ましくは環状に構成されており、凝縮されるべき蒸気を供給するための環状ギャップが設けられている。作動液体供給路は、その環状ギャップの内部に形成されている。

説明のために、図３を参照されたい。図３は、図２の凝縮器の「蓋領域」の底面図である。特に、液体分散要素として作用する穴あきプレート２１２を下方から概略的に示している。蒸気入口ギャップ２１５が概略的に示され、図３から分かることは、蒸気入口ギャップが単に環状の形状に構成され、その結果、凝縮されるべき蒸気が凝縮ゾーンに対して、上部から直接的に又は下部から直接的に供給されるのではなく、横側に広がるだけである。蒸気ではなく液体だけが分散プレート２１２の穴を通過して流れる。最初に、穴あきプレート２１２を通過した液体によって、蒸気は凝縮ゾーン内へと横側に「吸引」される。液体分散プレートは、金属、プラスチック又は類似の材料で形成されてもよく、異なる穴パターンを使用して構成されてもよい。加えて、図２に示すように、要素２１０から流れる液体のための横側の境界が設けられることが好ましく、この横側の境界は符号２１７で示されている。これにより、湾曲した供給路２０４に起因して回転しながら要素２１０から流出し、更に中心から外側に向かって液体分散部の上に分散する液体が、前記縁部を超えて溢流して蒸気導入ゾーンへと流れ込まないことが保証される。その場合、その液体は、未だ液体分散プレートの穴を通過して滴下しておらず、蒸気と共に凝縮してはいない液体である。

図４ａは凝縮器の代替的な構成を示し、この中では作動液体が下方から供給され、蒸気が上方から供給される。本発明のこの凝縮器はまた、蒸気と作動液体との流れが逆向きとなるよう供給するためにも使用され得る。なぜなら、蒸気導入ゾーン１０２内において、横断流れの体積凝縮を達成するように、蒸気が自動的に凝縮ゾーン１００内へと方向付けられるからである。特に、図４ａは、分散プレート２１２の断面をも示している。加えて、作動液体が分散プレート２１２の上へと供給され、その液体は次に分散プレートの穴を通過して液滴２２０の形態で凝縮ゾーンへと流入し、最後に、凝縮ゾーンの中で凝縮機能を果たす。蒸気は、例えば図３の入口ギャップ２１５の形態で構成され得る蒸気入口ギャップを介して、凝縮ゾーン内に存在する液滴に対して供給され、更に蒸気は、凝縮ゾーンの内部に液体の形態で存在する凝縮の相手によって、曲線で示す流れ方向２２２のように方向転換される。

図２と図１と図４ａとは、凝縮ゾーンが充填されていない状態の凝縮器を示している。しかし、好ましくは図４ｂに示すように、凝縮ゾーンは充填材２０８によって充填される。これらの充填材は、凝縮ゾーン内で乱流発生体としての役割を果たす。なぜなら、それら充填材は凝縮によって加熱された作動液体の中に乱流を発生させ、作動液体を方向転換して混合し、その結果、凝縮準備ができている蒸気の粒子が効率的に凝縮できるように凝縮液体のより低温の領域を常に発見することができ、即ち蒸気エネルギーを作動液体に対して伝達できるようになる。好ましくは図４ｂに概略的に示すように、籠部２０７はその頂部または所定の高さまで充填材により充填され、他方、その横側の領域は高さ２１９まで充填され、その結果、図４ｂに概略的に示すように、蒸気入口ゾーンは高さ２１９より上方の横側領域となる。

図４ｂを参照しながら説明したように、作動液体供給部は、好ましくは、液滴形状の作動液体が重力によって頂部から底部に向かって凝縮ゾーンを通過するように構成される。

加えて、作動液体供給部は、底部から頂部へと作動液体を供給するための管と、管の終端に設けられて作動液体を凝縮ゾーンの頂部全体にわたって分散させるための分散プレート２１２とを含み、その分散プレート２１２は開口部を有し、それら開口部は、分散プレート上を流れる作動液体がこれらの開口部を通過して凝縮ゾーンへとある領域に亘って滴下するように構成されている。

凝縮器ケースは、図２に例示的に示すように、内部領域の周囲に、即ち籠部２０７により限定される凝縮ゾーンの周囲に延びるものであるが、しかし、蒸気導入ゾーンを表す蒸気入口ギャップ２１５が境界２０７とケースとの間に設けられている。

さらに、図４ｂを参照しながら説明したように、限定された領域に物体(object)が配置され、それら物体は凝縮ゾーンを通って移動する作動液体によって湿潤され、それら物体は、その湿潤する作動液体の中に乱流を発生させるように構成されており、更にそれら物体は蒸気導入ゾーンの中には配置されていない。

それら物体は、投入された個別のプラスチック部品を含み、液体を一方とし凝縮されるべき蒸気を他方とした場合に、両方がそれら物体の間を移動できるような状態で互いに重なり合っている。

特に、前記領域または凝縮ゾーンは籠部２０７によって限定されており、籠部はその物体を凝縮ゾーンの中でかつ蒸気導入ゾーンから離して保持するものである。本発明の一実施形態によれば、全体の凝縮器の直径は４００ｍｍの範囲である。しかし、３００ｍｍ〜１０００ｍｍの間の直径を有する効率的な凝縮器もまた製造可能である。

凝縮器を備えたヒートポンプは、図５ａに例示的に示すように、特に作動液体を蒸発させる蒸発器を含み、本発明の好ましい作動液体は水である。加えて、蒸発器内で蒸発される作動液体を圧縮させるための圧縮機１６が準備される。更に、図５ａの凝縮器１８は、図１〜図４ｂを用いて示したような方法で構成される。好ましくは、凝縮器の蒸気導入ゾーン、即ち領域１０２は、圧縮機の出口に接続されている。加えて、凝縮器は蒸発器の下流側に配置されており、その圧縮機の吸引ラインであってその断面において下部から上部に向かってテーパを持つラインが、図２において符号２０５で示すように凝縮器を通って延びている。

更に、圧縮機はラジアルホイールを含み、そのホイールは少なくとも部分的に凝縮ゾーンの上方に、かつ凝縮ゾーンから別れた位置に配置されている。特に、このラジアルホイールは図２の領域２１３内に挿入されるよう構成されている。最後に、圧縮機の出口が凝縮ゾーンの上方に配置されており、これは、図４ａにおいて既に例示的に示され、また図２においても、その頂部に別の９０度の蒸気入口を含む「蓋部」を配置することで構成されている。上述したように、これにより、蒸気が横向きの流れ方向から下向きの流れ方向へと方向転換される。このように、蒸気の経路は、まず蒸気が蒸発器によって上方へと垂直に吸引され、遠心圧縮機によって横方向へと方向転換され、その後、図３に例示的に下方から示した「蓋部」により再度９０度の方向転換を受けて、図２で矢印２５０を用いて特に示すように、蒸気入口ギャップへと導入される。

図６は、充填材の好ましい構成としての所謂ポールリングを示す。これらは所定の体積を含む点に特徴があり、例えば全体積(full-volume)シリンダ又は同様のものが充填するように、その体積を完全に埋めるものではなく、寧ろ、水を一方とし蒸気を他方とした場合にそれらの通過を妨害することなく、上記体積を占めているだけである。ここで、ポールリングは円形壁部２６０、２７０、２８０を含み、これらは互いに垂直梁部２９０によって接続されている。更に、その垂直梁部２９０は星形状に相互に接続されており、それは構成要素３００によって示すように、一方では垂直梁部２９０を含み、他方ではその垂直梁部の接続部を中央に含んで全体として星形を表している。

しかしながら、中空のシリンダ、中空の立方体または同様の構成要素であって、所定の体積を占有するがしかし比較的大きな空間を確保して種々の縁部および梁部が存在するような構成要素もまた使用可能である。これらの縁部および梁部の役割は、これらの充填材を通過する作動液体が常に乱流にさらされて渦巻き回転し、その結果、例えば作動液体の液滴の温かい部分であって凝縮されたばかりの部分が再度乱流にさらされて、凝縮されようとしている各蒸気粒子に対して作動液体の最も低温の部分が現れるようにすることである。

Claims (20)

1. 作動液体の中で凝縮されるべき蒸気を凝縮するための凝縮ゾーン（１００）であって、頂部（１００ａ）と、底部（１００ｂ）と、前記頂部と前記底部との間の横側境界（１００ｃ）とを含む体積ゾーンとして構成された凝縮ゾーンと、
   前記凝縮ゾーンの前記横側境界（１００ｃ）にそって延びる蒸気導入ゾーン（１０２）であって、凝縮されるべき蒸気を前記凝縮ゾーン（１００）の中へ前記横側境界（１００ｃ）を介して横向きに供給するよう構成された蒸気導入ゾーンと、
   前記凝縮ゾーン及び前記蒸気導入ゾーンを取り囲む凝縮器ケース（２００，２０１，２０２）と、を含み、
   前記凝縮器ケースの内部には、前記凝縮器ケース（２００，２０１，２０２）からある距離（２１５）だけ間隔を空けて蒸気透過性を持つ籠状の境界物（２０７）が配置されており、
   前記蒸気導入ゾーンが前記距離（２１５）内に配置され、
   前記凝縮ゾーン（１００）が前記籠状の境界物（２０７）内に配置されている、凝縮器。
2. 前記作動液体を前記凝縮ゾーン（１００）に対してある範囲に亘って供給するよう構成された作動液体供給部（２０４，２１０，２１２）と、
   凝縮されるべき前記蒸気を前記蒸気導入ゾーン（１０２）内へと供給するよう構成された蒸気供給部（２０５，２１３）と、
   をさらに含む、請求項１に記載の凝縮器。
3. 前記蒸気供給部は、凝縮されるべき前記蒸気を供給するための全周囲ギャップ（２１５）を含み、
   前記作動液体供給部（２１０，２１２）は、前記全周囲ギャップ（２１５）によって取り囲まれた領域内に形成されている、請求項２に記載の凝縮器。
4. 前記作動液体供給部は、前記作動液体の液滴が重力によって、重力の方向に関して上部から下部へと前記凝縮ゾーン（１００）を通過するよう構成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の凝縮器。
5. 前記作動液体供給部は、前記作動液体を前記底部から前記頂部へと供給するための管（２０４，２１０）と、前記管（２１０）の一端に設けられ、前記作動液体を前記凝縮ゾーン（１００）の前記頂部（１００ａ）の全体にわたって分散させる分散プレート（２１２）と、を含み、前記分散プレート（２１２）は開口部を含み、その開口部は、前記分散プレート上を流れる作動液体が前記開口部を通過し、前記凝縮ゾーン（１００）へとある領域にわたって到達するよう構成されている、請求項４に記載の凝縮器。
6. 前記凝縮ゾーン（１００）を通って移動する前記作動液体によって湿潤される充填材（２０８）が、前記籠状の境界物（２０７）によって仕切られた領域内に配置されており、前記充填材（２０８）は湿潤させる作動液体に乱流を発生させるように構成されており、かつ前記充填材は前記蒸気導入ゾーン（１０２）の中には配置されていない、請求項１に記載の凝縮器。
7. 前記充填材（２０８）は投入された個別部品によって形成され、それら部品は、前記作動液体と凝縮されるべき前記蒸気とが前記充填材同士の間を移動できるように、互いに重なり合って配置されている、請求項６に記載の凝縮器。
8. 前記籠状の境界物（２０７）は、前記凝縮ゾーン内でかつ前記蒸気導入ゾーン（１０２）から離れた位置で前記充填材（２０８）を保持する籠部を含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の凝縮器。
9. 前記凝縮ゾーン（１００）は円筒形であり、前記蒸気導入ゾーン（１０２）が円形であって前記円筒形凝縮ゾーンを取り囲んで延びている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の凝縮器。
10. 前記凝縮ゾーン（１００）は、前記蒸気導入ゾーン（１０２）の外径と同一の外径を持つ円筒形の底領域を含み、
    前記凝縮ゾーン（１００）は、前記底領域における外径よりも小さい外径を持つ円筒形の中心領域をさらに含み、
    前記蒸気導入ゾーンと前記凝縮ゾーンの前記中心領域および前記底領域とが円筒を形成するように前記蒸気導入ゾーンと前記中心領域とが延びており、前記円筒は、凝縮器ケース（２００，２０１，２０２）によって横側が限定されている、請求項９に記載の凝縮器。
11. 底部の格子（２０９）をさらに備え、その格子の上に前記充填材（２０８）が配置され、凝縮により加熱された作動液体を前記凝縮器から吸引する凝縮器出口（２０３）が前記底部の格子（２０９）の設定方向における下方に配置されている、請求項６乃至１０のいずれか一項に記載の凝縮器。
12. 前記作動液体供給部（２０４，２１０，２１２）は前記作動液体を穴あき分散プレート（２１２）上に回転しながら供給するよう構成され、その回転供給によって前記穴あき分散プレート（２１２）上の前記作動液体が中心から外周に向かって分配される、請求項２に記載の凝縮器。
13. 前記凝縮ゾーン（１００）の上方の圧縮機供給部（２０５，２１３）に圧縮機が形成され、前記圧縮機供給部（２０５）は前記凝縮ゾーン（１００）の内部に延びており、
    前記圧縮機は遠心圧縮機として形成され、圧縮された蒸気を前記蒸気導入ゾーン（１０２）の中へと下方に供給する追加の蒸気方向転換手段（２１５）が前記圧縮機の出口に形成されている、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の凝縮器。
14. 前記凝縮ゾーン（１００）の内部に前記充填材（２０８）が配置され、
    前記蒸気導入ゾーン（１０２）の少なくとも一部において充填材が配置されていない、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の凝縮器。
15. 前記充填材（２０８）がポールリングとして形成されている、請求項１４に記載の凝縮器。
16. 請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の凝縮器を使用する方法であって、
    作動液体の流れが前記凝縮ゾーン（１００）内において好ましい方向に発生し、かつ作動液体の蒸気が前記蒸気導入ゾーン（１０２）から前記凝縮ゾーン（１００）内へとクロスフロー状態で流入し、前記作動液体の蒸気の流れ方向が前記作動液体の流れの好ましい方向に対して、１０度よりも大きくかつ１７０度よりも小さい角度を形成している、方法。
17. 作動液体の中で凝縮されるべき蒸気を凝縮するための凝縮ゾーンを準備するステップであって、前記凝縮ゾーンは、頂部（１００ａ）と、底部（１００ｂ）と、前記頂部と前記底部との間の横側境界（１００ｃ）とを含む体積ゾーンとして構成されるステップと、
    凝縮されるべき蒸気が前記凝縮ゾーンの中へ前記横側境界を介して横向きに供給されるように、前記凝縮ゾーン（１００）の前記横側境界に沿って蒸気導入ゾーン（１０２）を配置するステップと、
    前記凝縮ゾーン及び前記蒸気導入ゾーンを取り囲む凝縮器ケース（２００，２０１，２０２）を配置するステップと、を含み、
    前記凝縮器ケースの内部には、前記凝縮器ケース（２００，２０１，２０２）からある距離（２１５）だけ間隔を空けて蒸気透過性を持つ籠状の境界物（２０７）が配置されており、
    前記蒸気導入ゾーンが前記距離（２１５）内に配置され、
    前記凝縮ゾーン（１００）が前記籠状の境界物（２０７）内に配置されている、凝縮器を製造する方法。
18. 作動液体を蒸発させる蒸発器（１０）と、
    前記蒸発器（１０）内で蒸発された作動液体を圧縮するための圧縮機（１６）と、
    請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の凝縮器（１８）であって、前記蒸気導入ゾーン（１０２）が前記圧縮機（１６）の出口に接続されている凝縮器と、を備えるヒートポンプ。
19. 前記凝縮器（１８）が前記蒸発器（１０）の上流に配置され、
    前記圧縮機（１６）の吸引ライン（２０５）が前記凝縮器を貫通して延びており、
    前記圧縮機（１６）のラジアルホイールが前記凝縮ゾーン（１００）の少なくとも一部の上方に配置され、
    前記圧縮機（１６）の出口（２１５）が前記凝縮ゾーン（１００）の上方に配置されている、請求項１８に記載のヒートポンプ。
20. 前記凝縮器は、円筒形ケース（２００，２０１，２０２）の中に形成され、かつ前記蒸発器（１０）の上方に配置されており、前記蒸発器（１０）と前記凝縮器（１８）とが同一の外径を有する、請求項１８に記載のヒートポンプ。

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