JP6544563B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Description
液相の冷媒である冷媒液を貯留するとともに、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器をこの順番で環状に接続し、前記冷媒を循環させる主回路とを備え、
前記蒸発器は、前記冷媒を蒸発させて湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させ、
前記圧縮機は、前記蒸発器で発生した前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を電気化学圧縮により圧縮する、
ヒートポンプ装置を提供する。
本発明者らは、電気化学圧縮機を用いたヒートポンプ装置を鋭意検討した。その結果、以下の知見を得た。容積型圧縮機、ターボ型圧縮機などの機械式圧縮機を用いたヒートポンプ装置は、圧縮機に湿り蒸気が供給されないように構成されている。機械式圧縮機に湿り蒸気が供給されると、弁、シリンダ、インペラなどの構成部品が破損又は腐食する可能性がある。従って、機械式圧縮機を用いたヒートポンプ装置は、所定の過熱度を有する冷媒蒸気(過熱蒸気)が圧縮機に吸入されるように制御されている。しかし、電気化学圧縮機を用いたヒートポンプ装置にそのような要請は無い。そこで、本発明者らは冷媒が湿り蒸気の状態である場合及び過熱蒸気の状態である場合のそれぞれにおける、電気化学圧縮機に必要とされる圧縮仕事を検討した。その結果、所定の圧力まで冷媒を圧縮するとき、冷媒が湿り蒸気の状態である場合の方が、冷媒が過熱蒸気の状態である場合よりも、圧縮機に必要とされる圧縮仕事が少なくなることを見出した。そこで、本発明者らは、上記知見に基づき、以下に説明する各態様の発明を想到するに至った。
液相の冷媒である冷媒液を貯留するとともに、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器をこの順番で環状に接続し、前記冷媒を循環させる主回路とを備え、
前記蒸発器は、前記冷媒を蒸発させて湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させ、
前記圧縮機は、前記蒸発器で発生した前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を電気化学圧縮により圧縮するものである。
図5に示すように、本変形例に係るヒートポンプ装置102では、第1循環路4が湿り蒸気発生器として使用されている。第1循環路4は、蒸発器10に貯留された冷媒液の液面より下に位置する出口4aを有する。言い換えれば、第1循環路4を形成する配管が冷媒液の中まで延びている。冷媒の一部が第1熱交換器33で気化する場合、気相の冷媒によって冷媒液をバブリングすることができる。第1循環路4を湿り蒸気発生器として使用すれば、追加的な部品が不要である。湿り蒸気の状態の冷媒蒸気を発生させるためのエネルギーも節約できる。
図6に示すように、本変形例に係るヒートポンプ装置104は、湿り蒸気発生器として、蒸発器10に貯留された冷媒液の液面を波立たせる波立て装置52をさらに備えている。蒸発器10に貯留された冷媒液の液面を波立たせる(又は揺らす)ことによって、冷媒液の飛沫(冷媒ミスト)を蒸発器10の内部空間に飛散させることができる。本実施形態では、波立て装置52として、スクリュー52が使用されている。スクリュー52の一部が液面より下にあり、スクリュー52の残りの部分が液面上にある。ただし、冷媒液の液面を波立たせることができる限り、波立て装置52はスクリュー52に限定されない。例えば、液面を振動させる振動子、例えば、超音波振動子などを波立て装置52として使用できる。
図7に示すように、本変形例に係るヒートポンプ装置106では、第1循環路4が湿り蒸気発生器として使用されている。ただし、本変形例において、第1循環路4の出口4aは、蒸発器10に貯留された冷媒液の液面よりも上方に位置している。言い換えれば、流路31を形成する配管の端部が冷媒液の液面よりも上方に位置している。第1循環路4は、冷媒の一部が第1熱交換器33で気化し、気液二相状態の冷媒が第1熱交換器33から蒸発器10に戻るように構成されている。具体的には、気液二相状態の冷媒が第1熱交換器33から蒸発器10に戻るように、第1熱交換器33の大きさ、第1循環路4における冷媒の循環量(質量流量)などが定められている。蒸発器10の内部空間に向けて、第1循環路4の出口4aから気液二相状態の冷媒を噴霧することによって、湿り蒸気の状態の冷媒蒸気を電気化学圧縮機11に供給できる。第1循環路4を湿り蒸気発生器として使用すれば、追加的な部品が不要である。湿り蒸気の状態の冷媒蒸気を発生させるためのエネルギーも節約できる。
図8に示すように、本変形例に係るヒートポンプ装置108では、バイパス路53をさらに備えている。バイパス路53には、弁55が設けられている。弁55は、開閉弁であってもよいし、流量調整弁であってもよい。バイパス路53の一端(入口)及び他端(出口)は、それぞれ、第1熱交換器33及び非凝縮性ガス戻し路28に接続されている。詳細には、第1熱交換器33が複数の分岐流路33a,33b及び33cを有する。ファン34に対して最も風上側に位置している分岐流路33aの下流部分にバイパス路53の一端が接続されている。分岐流路33aは、第1熱交換器33の中で最も効率的に熱交換が行われる部分である。分岐流路33aにおいて、冷媒は、乾き度の大きい気液二相状態又は過熱状態まで十分に加熱される。冷媒は、第1熱交換器33の分岐流路33aから抜き出され、バイパス路53を通じて、非凝縮性ガス戻し路28におけるゲート22よりも下流側の部分に供給される。非凝縮性ガス戻し路28に供給された冷媒は、バブリングのために使用されうる。弁55の開閉によって、又は、弁55の開度を変更することによって、バブリングの強さを変更することができる。つまり、本変形例によれば、バブリングの強さを変更するためにゲート22の制御が必須とされない。従って、蒸発器10の内部の非凝縮性ガスの濃度を最適な値に保ちやすい。なお、バイパス路53の出口が冷媒液の液面より下に位置していてもよい。
図9に示すように、本変形例に係るヒートポンプ装置110は、主回路2に充填された冷媒とは異なる熱媒体を第1循環路4及び第2循環路6に循環させるように構成されている。つまり、第1循環路4及び第2循環路6は、それぞれ、主回路2から隔離されている。第1循環路4及び第2循環路6は、それぞれ、熱交換部4k及び6kを有する。熱交換部4kは、蒸発器10の内部に配置されている。熱交換部6kは、凝縮器16の内部に配置されている。熱交換部4kにおいて、第1循環路4を流れる熱媒体と蒸発器10に貯留された冷媒液とが熱交換する。熱交換部6kにおいて、第2循環路6を流れる熱媒体と凝縮器16に貯留された冷媒液とが熱交換する。
本明細書で説明したヒートポンプ装置100〜110の湿り蒸気発生器は、それぞれ、他のヒートポンプ装置100〜110にも採用されうる。例えば、図6を参照して説明したヒートポンプ装置104のスクリュー52は、他のヒートポンプ装置100,102,106,108及び110に容易に追加されうる。また、図9を参照して説明したヒートポンプ装置110の第1循環路4及び第2循環路6の構成は、他のヒートポンプ装置100〜108に採用されうる。このように、ヒートポンプ装置100〜110の構成は、相互に組み合わせることができる。
4 第1循環路
6 第2循環路
10 蒸発器
11 電気化学圧縮機
16 凝縮器
18 冷媒移送路
22 ゲート
23 第1検出器
25 第2検出器
28 非凝縮性ガス戻し路
32 第1ポンプ
33 第1熱交換器
34 ファン
42 第2ポンプ
43 第2熱交換器
44 ファン
50 制御器
52 波立て装置
53 バイパス路
55 弁
63 膨張弁
65 加湿路
67 加湿弁
100〜110 ヒートポンプ装置
Claims (18)
- 液相の冷媒である冷媒液を貯留するとともに、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器をこの順番で環状に接続し、前記冷媒を循環させる主回路とを備えたヒートポンプ装置であって、
前記蒸発器は、前記冷媒を蒸発させて湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させる湿り蒸気発生器を内部に備え、
前記圧縮機は、前記蒸発器で発生した前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を電気化学圧縮により圧縮し、
前記ヒートポンプ装置は、前記圧縮機の吐出側の高圧空間と前記圧縮機の吸入側の低圧空間とを、前記主回路とは別の経路で連結し、前記電気化学圧縮のために使用され、前記低圧空間から前記高圧空間に移動した非凝縮性ガスを前記高圧空間から前記低圧空間へと戻す非凝縮性ガス戻し路をさらに備え、
前記主回路は、前記凝縮器から前記蒸発器へと前記冷媒を移送する冷媒移送路を含み、
前記非凝縮性ガス戻し路は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面より下に位置する出口を有し、前記湿り蒸気発生器として機能する、
ヒートポンプ装置。 - 液相の冷媒である冷媒液を貯留するとともに、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器をこの順番で環状に接続し、前記冷媒を循環させる主回路と、
ポンプ及び熱交換器を有し、前記ポンプの働きによって前記蒸発器と前記熱交換器との間で前記冷媒を循環させる循環路と、
を備え、
前記蒸発器は、前記冷媒を蒸発させて湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させる湿り蒸気発生器を内部に備え、
前記圧縮機は、前記蒸発器で発生した前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を電気化学圧縮により圧縮し、
前記循環路は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面より下に位置する出口を有し、前記湿り蒸気発生器として機能する、
ヒートポンプ装置。 - 前記湿り蒸気発生器は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液をバブリングすることによって前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させる、請求項1又は2に記載のヒートポンプ装置。
- 前記圧縮機は、前記冷媒を、前記湿り蒸気の状態から過熱蒸気の状態に達するまで圧縮する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。
- 液相の冷媒である冷媒液を貯留するとともに、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器、前記圧縮機、前記凝縮器をこの順番で環状に接続し、前記冷媒を循環させる主回路とを備えたヒートポンプ装置であって、
前記蒸発器は、前記冷媒を蒸発させて湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させ、
前記圧縮機は、前記蒸発器で発生した前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を電気化学圧縮により圧縮し、
前記ヒートポンプ装置は、
前記圧縮機によって圧縮された後かつ前記凝縮器において凝縮する前の前記冷媒の温度を検出する第1検出器と、
前記蒸発器の内部において前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させる湿り蒸気発生器と、
前記第1検出器によって検出された前記温度と前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の温度とに基づいて前記湿り蒸気発生器を制御する制御器と、をさらに備えた、
ヒートポンプ装置。 - 前記第1検出器によって検出される前記温度を第1温度、前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の前記温度を第2温度と定義したとき、
前記制御器は、前記湿り蒸気発生器を制御することで、
前記第1温度と前記第2温度との温度差が閾値以上である場合には、前記圧縮機に供給されるべき前記冷媒の湿り度を上げ、
前記温度差がゼロである場合には、前記圧縮機に供給されるべき前記冷媒の湿り度を下げる、請求項5に記載のヒートポンプ装置。 - 前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の液面より下に配置され、前記冷媒液の前記温度を検出する第2検出器をさらに備えた、請求項5又は6に記載のヒートポンプ装置。
- 前記凝縮器の内部の圧力を検出する第2検出器をさらに備え、
前記制御器は、前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の前記温度を、前記第2検出器によって検出された前記圧力に基づいて導出する、請求項5又は6に記載のヒートポンプ装置。 - 前記第2検出器は、前記凝縮器に貯留された前記冷媒液の液面よりも上方に配置されている、請求項8に記載のヒートポンプ装置。
- 前記第1検出器は、前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒の到達温度を検出することが可能な位置に配置されている、請求項5〜9のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。
- 前記第1検出器は、前記主回路において、前記圧縮機の吐出側であって、前記圧縮機と前記凝縮器との間に配置されている、請求項5〜9のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。
- 前記湿り蒸気発生器は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液をバブリングすることによって前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を発生させる、請求項5〜11のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。
- 前記圧縮機の吐出側の高圧空間と前記圧縮機の吸入側の低圧空間とを、前記主回路とは別の経路で連結し、前記電気化学圧縮のために使用され、前記低圧空間から前記高圧空間に移動した非凝縮性ガスを前記高圧空間から前記低圧空間へと戻す非凝縮性ガス戻し路をさらに備え、
前記主回路は、前記凝縮器から前記蒸発器へと前記冷媒を移送する冷媒移送路を含み、
前記非凝縮性ガス戻し路は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面より下に位置する出口を有し、前記湿り蒸気発生器として機能する、請求項5〜12のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。 - ポンプ及び熱交換器を有し、前記ポンプの働きによって前記蒸発器と前記熱交換器との間で前記冷媒を循環させる循環路をさらに備え、
前記循環路は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面より下に位置する出口を有し、前記湿り蒸気発生器として機能する、請求項5〜13のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。 - 前記湿り蒸気発生器は、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面を波立たせることによって前記冷媒の飛沫を飛散させる、請求項5〜14のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。
- 前記圧縮機は、電解質膜と、前記電解質膜の第1主面側に配置され、導電性基材と前記導電性基材に担持された触媒とを含む第1電極と、導電性基材と前記導電性基材に担持された触媒とを含む第2電極と、を備える、請求項1〜15のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。
- 前記圧縮機は、前記第1電極及び前記第2電極間に電圧を印加して、前記蒸発器から供給された前記湿り蒸気の状態の前記冷媒を、前記電解質膜に透過させて過熱蒸気の状態の前記冷媒に変化させる、請求項16記載のヒートポンプ装置。
- 前記冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒である、請求項1〜17のいずれか1項に記載のヒートポンプ装置。
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