JP6554156B2 - Ｃｏ２冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法 - Google Patents

Description

以下の実施形態は、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法に関し、より詳細には、ＣＯ₂および他の冷媒を混合した混合冷媒を用いるＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法に関する。

一般的に、ヒートポンプ（Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ）は、冷媒を圧縮、凝縮、膨脹、および蒸発させる過程を経ながら室内空間を冷房または暖房させる装置である。ヒートポンプは、圧縮機、凝縮器、膨脹弁、および蒸発器を含んで構成されるものであり、冷媒が蒸発器内で蒸発しながら周囲から熱を奪って気体となり、再び凝縮器によって周囲に熱を放出して液化する冷房サイクルである。

このようなヒートポンプに用いられるＲ１３４ａのような一般的な冷媒が、オゾン層破壊や地球温暖化といった環境破壊の主犯であると知られるようになってからは、環境を保護するため使用規制が拡大している。これにより、このような冷媒に代わって、二酸化炭素（ＣＯ₂）を用いた超臨界冷房サイクルが注目を集めている。

二酸化炭素（ＣＯ₂）冷媒は、作動圧縮比が低くて圧縮効率が優秀であり、優れた熱伝達特性を持つため温度アプローチ（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｐｐｒｏａｃｈ）（二次流体である空気の入口温度−冷媒の出口温度の差）が既存の冷媒に比べて極めて小さく、高温高圧側の熱交換器の場合には、流入する空気の温度まで冷媒の温度を下げることができるほどに熱伝達特性が優れているという長所がある。

また、熱力学的物性値が優れており、二酸化炭素の体積冷房容量（ｃａｐａｃｉｔｙ ｖｏｌｕｍｅ ｒａｔｉｏ＝蒸発潜熱×気体密度）がＲ１３４ａに比べて７〜８倍に達することから、超臨界冷凍サイクルを構成する圧縮機の倍体体積率を大きく減らすことができる。

さらに、二酸化炭素は、その表面張力が小さいため沸騰熱伝達が優秀であり、比熱が大きく、液体粘度が低く、圧力降下面においてもＲ１３４ａに比べて有利である。

しかし、二酸化炭素を冷媒とする超臨界冷凍サイクルは、蒸発圧力だけでなく、高温高圧側の熱交換器圧力（既存の凝縮圧力）がＲ１３４ａを冷媒とする一般的な冷凍サイクルに比べて極めて高い。すなわち、超臨界冷凍サイクルにおいて、蒸発圧力は一般の冷凍サイクルに比べて約１０倍、高温高圧側の熱交換器圧力は約７倍（約１２０ｂａｒ）も高い。

例えば、冷凍機の高圧冷媒気体の凝縮工程は、大気や水によって冷凍させるが、ＣＯ₂を冷凍機に適用するようになれば、臨界点よりも高い１２０〜１３０ｂａｒの高圧が適用されなければならない。これにより、高圧側の熱を利用して約９０℃の温水や暖房機能を得るようになるのである。

このような凝縮熱を利用する機器をヒートポンプと言うが、ヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すＣＯＰ（成績係数）は、冷凍機のＣＯＰに１．０が加えられ、ＣＯＰが３〜４に高まる。これは、電気１のエネルギーが加えられて熱３〜４倍を利用するという意味である。

しかし、ＣＯ₂ヒートポンプは、低圧蒸発器側の圧力が約３０ｂａｒと高く、約０℃の蒸発器気化温度を得るようになるため、冬季に外気が低ければ室外機（蒸発器）の冷媒気化がなされずに補助熱源が必要となる。このような室外機の熱を冷蔵やエアコンに使用することはできるが、持続的な負荷を提供することはできない。

特許文献１は、このような二酸化炭素冷媒を利用した産業用ヒートポンプシステムおよびその性能評価方法に関するものであって、低炭素の環境に優しい二酸化炭素冷媒を利用した産業用ヒートポンプおよびそのヒートポンプシステムの性能評価方法に関する技術を記載している。

韓国公開特許１０−２０１２−００５５０６５号

実施形態は、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法に関して記述しており、より具体的には、ＣＯ₂および他の冷媒を混合した混合冷媒を用いて暖房および／または冷凍効率を高める技術を提供する。

実施形態は、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させることにより、蒸発器で冬季の低い外気にも容易に蒸発することができる低温冷媒を得ることができる、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供する。

実施形態は、沸点が互いに異なるＣＯ₂とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ₂を５０〜９０％に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がより低い圧力の適用が可能になり、暖房用温水の効果も提供してエネルギーを節約することができる、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供する。

本発明の一実施形態における、圧縮機、凝縮器、気液分離器、膨脹装置、および蒸発器を含む二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプであって、前記凝縮器と前記気液分離器の間に構成され、前記膨張装置は，前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させる第１膨脹装置を含み、前記第１膨脹装置によって前記冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、前記膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を実行してよい。

ここで、前記冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ₂）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された混合冷媒で成されてよい。

前記冷媒は、沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ₂）とＨＦＣ系混合冷媒を含み、前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の割合を５０％〜９０％に増加させ、前記高圧での圧力を低下させて暖房用温水および温風を提供可能にする。

前記冷媒は、２つ以上の混合冷媒を含み、前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、前記蒸発器の低温は外気熱によって蒸発したり冷凍装置に適用可能である。

前記気液分離器は、前記第１膨脹装置によって前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させることにより、沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部を液体として分離し、残りの前記二酸化炭素（ＣＯ₂）を気体として分離させてよい。

前記気液分離器を通過した前記冷媒を冷却させる第２予冷器をさらに含み、前記膨脹装置は、前記気液分離器と前記第２予冷器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された高圧の気体状態である前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の圧力を低める第２膨脹装置、および前記第２予冷器と前記蒸発器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態である前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部を前記第２予冷器で冷却した後、圧力を低めて前記蒸発器に吐出する第３膨脹装置を含んでよい。

前記蒸発器は、前記第３膨脹装置を通過した前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部を外気熱によって気化させてよい。

前記蒸発器の吐出口と前記凝縮器の吐出口が連結される第１予冷器をさらに含み、前記第１予冷器は、前記蒸発器で気化した前記冷媒と前記凝縮器を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ₂）を混合して冷却させた後、前記圧縮機に移動させてよい。

前記第２予冷器から吐出された冷媒と前記蒸発器から吐出された冷媒の互いに異なる圧力差を補正して前記圧縮機に送るエジェクタやＥＰＲ（Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ：蒸発圧力制御装置）をさらに含んでよい。

前記蒸発器は、外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第１膨脹装置によって前記冷媒が高圧から中間圧に膨脹された後、前記第３膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を経た前記冷媒の流入により気化温度を低めてよい。

また、一実施形態における、二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法であって、圧縮機から吐出された二酸化炭素（ＣＯ₂）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された冷媒が凝縮器で凝縮され、前記凝縮器を通過した前記冷媒を、第１膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させ、前記第１膨脹装置を通過した前記冷媒を、気液分離器を利用して沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部を液体として分離し、残りの前記二酸化炭素（ＣＯ₂）を気体として分離させ、前記気液分離器から吐出された高圧の気体状態である前記二酸化炭素（ＣＯ₂）を、第２膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させて第２予冷器に移動させ、前記気液分離器から吐出された液体状態である前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部を前記第２予冷器で冷却させた後、第３膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出し、前記蒸発器で前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部を外気熱によって気化させ、および前記第２予冷器を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ₂）と前記蒸発器によって気化された前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部が互いに熱交換後に前記圧縮機に移動することを含む。

また、一実施形態によると、二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプであって、沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ₂）と少なくとも１つ以上の他の冷媒を含む混合冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機の次に配置されて、前記圧縮機を通過した冷媒を凝縮する凝縮器、前記凝縮器の次に配置され、前記凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させる第１膨脹装置、前記第１膨脹装置の次に配置され、前記第１膨脹装置によって前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させることによって沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部を液体として分離し、前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の残りを気体として分離させる気液分離器、前記気液分離器の次に配置され、前記気液分離器を通過した冷媒を冷却させる第２予冷器、前記気液分離器と前記第２予冷器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された気体状態の前記二酸化炭素（ＣＯ₂）を膨脹させて圧力を低下させる第２膨脹装置、前記第２予冷器と蒸発器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態の前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部を前記第２予冷器で冷却した後、膨脹させて圧力を低下させて前記蒸発器に吐出する第３膨脹装置、および前記凝縮器と前記第１膨脹装置の間に配置され、前記蒸発器の吐出口と連結する第１予冷器を含み、前記混合冷媒は、前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、前記蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能であり、前記蒸発器は、外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第１膨脹装置によって冷媒が高圧から中間圧に膨脹された後、前記第３膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を経た冷媒の流入により気化温度が低くなり、前記蒸発器で気化された冷媒と前記第２膨脹装置を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ₂）が混合した後、前記第１予冷器で前記凝縮器を通過した冷媒と熱交換をし、冷却後に前記圧縮機に移動することを特徴とする、二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプが提供される。

実施形態によると、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させることにより、蒸発器で冬季の低い外気にも容易に蒸発することのできる低温冷媒を得ることができる、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供することができる。

実施形態によると、沸点が互いに異なるＣＯ₂とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ₂を５０〜９０％に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がより低い圧力の適用が可能となり、暖房用温水の効果も提供してエネルギーを節約することができる、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供することができる。

さらに、実施形態によると、沸点が互いに異なるＣＯ₂とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ₂を５０〜９０％に増加させることができるようにすることにより、環境に優しい二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを提供してオゾン層に悪影響を及ぼす冷媒を利用するヒートポンプを代替することで、温室ガスの排出減少にも寄与できることはもちろん、二酸化炭素を冷媒として用いるヒートポンプで発生する低圧蒸発器側の圧力が高く約０℃の蒸発器気化温度を得るようになるため、冬季の外気が低ければ室外器（蒸発器）の冷媒気化がなされず補助熱源が必要であった問題を解決することができる。

一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを概略的に示した図である。 他の実施形態における、エジェクタが含まれた、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを概略的に示した図である。 一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの二段膨脹工程を説明するための図である。 一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの二段膨脹工程を説明するための図である。 一実施形態における、二段膨脹の中間圧力によるＣＯＰ変化を示した図である。 さらに他の実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法を示したフローチャートである。

以下、添付の図面を参照しながら、実施形態について説明する。しかし、記述される実施形態は、多様な他の形態に変形されもよく、本発明の範囲が以下で説明される実施形態によって限定されることはない。また、複数の実施形態は、当該技術分野において平均的な知識を有する者に発明をより完全に説明するために提供されるものである。図面において、要素の形状および大きさなどは、より明確な説明のために誇張されることもある。

以下の実施形態は、凝縮器と気液分離器との間に膨脹装置を架設して二段膨脹工程を適用することにより、蒸発器で冬季の低い外気環境でも容易に蒸発することのできる低温冷媒液を得ることができる、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ（Ｃａｓｃａｄｅ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ）を提供することができる。また、沸点が互いに異なるＣＯ₂とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ₂を５０〜９０％に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がかなり低い圧力が適用可能となり、暖房用温水を提供することができる。

これにより、高圧側圧力をＣＯ₂ヒートポンプ工程の１３０ｂａｒよりもかなり低い約６０〜８０ｂａｒの低い圧力の適用が可能となり、２つ以上の混合冷媒の適用により、凝縮器熱を温水として用いるヒートポンプ機能と共に、蒸発器の低温は冷凍に適用可能となる。さらに、蒸発器気化温度が低く、外気温度が低い冬季にも外気熱を吸入して容易に気化がなされて暖房機能の実行が可能となり、３．０〜４．０の高いＣＯＰ（成績係数）に向上させる工程を提供することにより、エネルギー節約効果を提供することができる。

図１は、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを概略的に示した図である。

図１を参照すると、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ１００は、圧縮機１１０、凝縮器１２０、第１膨脹装置１４０、気液分離器１５０、第２膨脹装置１４１、第３膨脹装置１４２、蒸発器１６０を含んで構成されてよい。また、実施形態によって、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ１００は、第１予冷器１３０および第２予冷器１３１のうちの少なくともいずれか１つ以上をさらに含んで構成されてもよい。

圧縮機１１０は、作動流体として冷媒を吸入し、臨界点よりも高い状態に圧縮した後に吐出されるようにする。

ここで、冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ₂）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された混合冷媒で成されてよい。

より具体的に説明すると、冷媒は、沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ₂）とＨＦＣ系混合冷媒を含み、ＣＯ₂の割合を５０％〜９０％に増加させて高圧での圧力を低下させ、暖房用温水を提供したり温風を提供したりしてよい。

また、冷媒は、２つ以上の混合冷媒を含み、凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能である。

凝縮器１２０は、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮するものであり、凝縮器で発生する熱を利用して暖房を行ってよい。特に、冷媒としてＣＯ₂を含む冷媒を使用する場合、ＣＯ₂は臨界点よりも高い高圧が適用されるため、高圧側の熱を利用して温水や暖房機能を得ることができる。

例えば、ＣＯ₂をヒートポンプに適用する場合、臨界点よりも高い１２０〜１３０ｂａｒの高圧が適用され、高圧側の熱を利用して約９０℃の温水や暖房機能を得ることができる。

このような凝縮器１２０は、所定の圧力と所定の温度で沸点が低い冷媒が臨界点上部の気体状態で存在してよい。

例えば、凝縮器１２０で、圧力６０〜８０ｂａｒ、４０℃で冷媒ＣＯ₂ガスと沸点が低い他の冷媒が臨界点上部の気体状態で存在してよい。

第１予冷器１３０は、凝縮器１２０と第１膨脹装置１４０の間に配置されてよく、蒸発器１６０の吐出口とも連結してよい。このような第１予冷器１３０は、性能向上のための装置であり、省略されてもよい。

第１膨脹装置１４０は、凝縮器と気液分離器の間に構成され、凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させてよい。

このように、第１膨脹装置１４０によって冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、その後に他の膨脹装置によって中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を実行するようになる。

気液分離器１５０は、第１膨脹装置１４０によって凝縮器１２０を通過した冷媒の圧力を低下させることにより、沸点が低い他の冷媒とＣＯ₂の一部は液体として分離し、残りのＣＯ₂は気体として分離させてよい。

既存のオート多段システムとは異なり、一実施形態によると、凝縮工程後に第１膨脹装置１４０で圧力を低下させれば、沸点が低い他の冷媒全体とＣＯ₂の一部は液体として、残りのＣＯ₂は気体として、気液分離器１５０で得ることができるようになる。

第２予冷器１３１は、気液分離器１５０の下部冷媒液を冷却させてよい。

より具体的に説明すると、第２予冷器１３１は、気液分離器１５０から吐出された液体状態である他の冷媒とＣＯ₂の一部を冷却させてよい。また、第２膨脹装置１４１によって気液分離器１５０から吐出された高圧の気体状態であるＣＯ₂の圧力を最終圧力に低めた後、第２予冷器１３１を通過してよい。

例えば、高圧の気体ＣＯ₂は、圧力を約８〜１２ｂａｒに膨脹させて温度を−２０℃の気体にし、第２予冷器で気液分離器の液体をさらに過冷却（Ｓｕｂｃｏｏｌｉｎｇ）させてよい。

膨脹装置は、第２膨脹装置１４１および第３膨脹装置１４２を含んで構成されてよい。

第２膨脹装置１４１は、気液分離器１５０と第２予冷器１３１の間に配置され、気液分離器１５０から吐出された高圧の気体状態である二酸化炭素（ＣＯ₂）を膨脹させて圧力を低めてよい。第２膨脹装置１４１を通過した冷媒は、第２予冷器１３１に流入されてよい。

第３膨脹装置１４２は、第２予冷器１３１と蒸発器１６０の間に配置され、気液分離器１５０から吐出された液体状態である他の冷媒とＣＯ₂の一部が第２予冷器１３１で冷却された後、圧力を低めて蒸発器１６０に吐出してよい。

蒸発器１６０は、第３膨脹装置１４２を通過した他の冷媒とＣＯ₂の一部を外気熱によって気化させてよい。

例えば、予冷された冷媒液は、圧力は１０ｂａｒに膨脹されながら温度は約−１５℃に低下し、蒸発器１６０で外気熱によって気化されてよい。

より具体的に説明すると、蒸発器１６０は、第１膨脹装置１４０によって冷媒が高圧から中間圧に膨脹された後、第３膨脹装置１４２によって中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を経た冷媒の流入により気化温度が低くなるため、外気温度が低い場合でも蒸発が容易に起こり、凝縮器で暖房機能を実行することができるようになる。

この後、蒸発器１６０で気化された冷媒と第２膨脹装置１４１を通過して第２予冷器１３１を通過したＣＯ₂ガスは混合され、圧縮機１１０に移動してよい。ここで、蒸発器１６０で気化された冷媒と第２膨脹装置１４１を通過して第２予冷器１３１を通過したＣＯガスが圧縮機１１０に移動する中段に第１予冷器１３０が追加設置された場合は、第１予冷器１３０を通過した後、圧縮機１１０に移動してよい。

この後、第１予冷器１３０では、蒸発器１６０から圧縮機１１０に吸入される混合気体と凝縮器１２０を通過した混合冷媒の熱交換がなされる。すなわち、凝縮器１２０を通過した高圧の冷媒が、蒸発器１６０から圧縮機１１０に吸入される冷たい気体によって冷却（Ｃｏｏｌｉｎｇ）される。

例えば、蒸発器１６０で気化された冷媒は、ＣＯ₂気体と合わさり、第１予冷器１３０を経た後に圧縮機１１０で圧縮され、吐出温度は１２０〜１３０℃となってよい。

第１予冷器１３０では、約５℃を予冷させてよく、一例として、蒸発器１６０の出口温度を５度加熱し、凝縮器１２０の温度を５度低下させてよい。

このように、本実施形態は、オート多段サイクルを改善したものであり、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置が仮設され、膨脹過程を二段で構成することができる。すなわち、高圧−中間圧−低圧の二段膨脹構造で構成することができる。

実施形態によると、沸点が互いに異なるＣＯ₂とＨＦＣ系混合冷媒を同じように使用してもよく、ＣＯ₂を５０〜９０％に増加させてもよい。これにより、高圧側圧力は、約６０〜８０ｂａｒの低い圧力の適用が可能となる。

また、２つ以上の混合冷媒を適用することにより、凝縮器熱を温水として使用するヒートポンプ機能と共に蒸発器の低温を冷凍に適用可能となり、さらに蒸発器の気化温度が低いため、外気温度が低い冬季にも蒸発器１６０で蒸発が容易になされて暖房機能を実行することができ、３．０〜４．０の高いＣＯＰ効率を得ることができる。

図２は、他の実施形態における、エジェクタが含まれた、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを概略的に示した図である。

図２を参照すると、他の実施形態における、エジェクタが含まれた、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ２００は、圧縮機２１０、凝縮器２２０、第１膨脹装置２４０、気液分離器２５０、第２膨脹装置２４１、第３膨脹装置２４２、蒸発器２６０、およびエジェクタ２７０またはＥＰＲ（蒸発圧力制御装置）を含んで構成されてよい。また、実施形態によって、エジェクタが含まれた、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ２００は、第１予冷器２３０および第２予冷器２３１のうちの少なくともいずれか１つ以上をさらに含んで構成されてもよい。

ここで、他の実施形態における、エジェクタが含まれた、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ２００は、図１で説明した一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの構成と一部が重複するため、重複する構成に関する説明は省略し、相違する構成を中心に説明する。

エジェクタ２７０は、第２予冷器２３１から吐出された冷媒と蒸発器２６０から吐出された冷媒が流入された後、互いに異なる圧力差を補正し、圧力差の補正がなされた冷媒を圧縮機２１０に流入させてよい。

このように、他の実施形態における、エジェクタやＥＰＲが含まれた、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ２００において、蒸発器の温度をさらに低くしたい場合、エジェクタ２７０を追加設置してよい。エジェクタ２７０は、互いに圧力が異なる場合に、小さい圧力差を補正するために使用されてよい。

例えば、蒸発器温度を−２０℃以下に低めようとすると、低圧側圧力が６ｂａｒとなり、ＣＯ₂気体圧力である８〜１２ｂａｒよりも低くなる圧力差が発生するため、これの吸入のためにエジェクタ２７０やＥＰＲを適用してよい。

このように、エジェクタ２７０は、５ｂａｒ以内の小さい圧力差を補正するためのものであり、既存のエジェクタ適用ＣＯ₂ヒートポンプシステムに適用される冷凍機の主な駆動用高圧エジェクタの機能とは大きな差がある。

図３ａ及び図３ｂは、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの二段膨脹工程を説明するための図である。

図３ａを参照すると、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ３００は、図１で説明したように、圧縮機３１０、凝縮器３２０、第１予冷器３３０、第１膨脹装置３４０、気液分離器３５０、第２膨脹装置３４１、第３膨脹装置３４２、第２予冷器３３１、蒸発器３６０を含んで構成されてよい。

図３ｂは、ＣＯ₂およびＲ１４３ａの混合冷媒の割合が８５：１５である場合のｐ−ｈ線図（圧力−比エンタルピー線図）を示している。

図３ａ及び図３ｂに示すように、凝縮器で、圧力７０ｂａｒ、４０℃（地点１）で、冷媒ＣＯ₂ガスと沸点が低い他の冷媒が臨界点上部の気体状態で存在してよい。

この地点１の気体は、第１予冷器３３０で、蒸発器３６０の出口気体である地点１１〜１２のエネルギー量によって地点２まで過冷される。

過冷却された気体（地点２）は、中間圧力２５ｂａｒまで膨脹（地点３）され、気液分離器３５０に捕集される。気液分離器３５０の液体のエンタルピーは飽和液である地点７であり、気体は飽和気体である地点４である。

地点４のＣＯ₂気体は、最終圧力である１２ｂａｒである地点５まで膨脹して温度−１３℃の気体になった後、第２予冷器３３１で地点７の飽和液を地点８まで過冷させながら、自身は加熱され、地点６となる。

過冷された地点８の液体は、最終圧１２ｂａｒまで第３膨脹装置３４２で膨脹して地点９となり、外気熱によって気化されて地点１０の飽和気体となる。

地点１１の気体は、地点６の過熱気体と混合されて地点１１の気体になった後、第１予冷器３３０で地点１２となり、圧縮機３１０に吸入される。

圧縮機３１０で再び７０ｂａｒまで等エントロピー過程によって圧縮され、地点１３の温度１３０℃の気体になる。この気体は、凝縮器で温水や暖房提供のヒートポンプ機能をなし、地点１の低温気体になる。ここで、他の冷媒とは、ＣＯ₂ではない他の種類の冷媒を意味し、少なくとも１つ以上の冷媒であってよい。例えば、他の冷媒は、Ｒ１４３Ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１５２Ａ、Ｒ３２、Ｒ７１７、Ｒ２９０などのような各種代替冷媒が使用されてよい。

既存のオート多段システムとは異なり、凝縮工程後に第１膨脹装置で圧力を低下させれば、沸点が低い他の冷媒全体とＣＯ₂の一部は液体として、残りのＣＯ₂は気体として、気液分離器で得られるようになる。

高圧の気体ＣＯ₂は、圧力を約８〜１２ｂａｒに膨脹させて温度を−２０℃の気体にし、第２予冷器で気液分離器の液体をさらに過冷却（Ｓｕｂｃｏｏｌｉｎｇ）させてよい。

第１予冷器では、約５℃を予冷させてよい。例えば、蒸発器の出口温度を５度加熱し、凝縮器の温度を５度低下させてよい。ここで、第１予冷器は、性能向上のための設備であり、省略されてもよい。

以下のとおり、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの性能評価を確認することができる。

例えば、冷媒の熱力学的物性値（エンタルピー、エントロピー、圧力、温度など）と性能評価は、ＥＥＳ（ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｓｏｌｖｅｒ）ソフトウェアなどを利用して計算されてよい。

表１は、既存のＣＯ₂ヒートポンプにＣＯ₂だけを冷媒として適用した場合を示している。

表１を参照すると、既存のＣＯ₂ヒートポンプにＣＯ₂だけを冷媒として適用した場合、高圧と低圧によるヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すＣＯＰ（成績係数）を確認することができる。

ここで、ヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すＣＯＰ（成績係数）は、凝縮器での放熱量を高温と低温での圧縮機の圧縮仕事量で割って算定してよい。

例えば、ヒートポンプのＣＯＰ＝Ｑｃ／Ｗ、冷凍装置のＣＯＰ＝Ｑｅ／Ｗで示してよい。このとき、ヒートポンプは凝縮器熱量／圧縮仕事量を示し、冷凍装置は蒸発器吸入量／圧縮仕事量を示してよい。

表２は、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプに、ＣＯ₂とは異なる冷媒を混合冷媒として適用した場合を示している。

表２を参照すると、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプに、混合冷媒としてＣＯ₂とＲ１４３ａを７０：３０で適用した場合が示されており、高圧、中間圧、および低圧によるヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すＣＯＰ（成績係数）を確認することができる。

表１および表２を参照しながら、高圧／低圧が７０ｂａｒ／１２ｂａｒである場合を比べると、既存のＣＯ₂ヒートポンプのＣＯＰは１．３７２５である反面、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、低圧であるにも係わらず３．３６３５と２４５％向上し、二段膨脹のない単段膨脹でもＣＯＰが３．３６０６になることを確認することができる。

したがって、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、ＣＯ₂と他の冷媒を混合冷媒として適用することにより、ＣＯ₂だけを用いる場合よりもＣＯＰ増加の効果がある。

図４は、一実施形態における、二段膨脹の中間圧力によるＣＯＰ変化を示した図である。

図４を参照すると、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプに、混合冷媒としてＣＯ₂とＲ１４３ａを７０：３０で適用した場合、二段膨脹の中間膨脹圧力が２５ｂａｒで最大ＣＯＰを得ることができる。

したがって、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構を有する多段ヒートポンプに、ＣＯ₂と他の冷媒を混合冷媒として適用した場合、二段膨脹の中間圧力で最大ＣＯＰを得ることができる。

また、一実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、ヒートポンプとして適用されるときに、室外機である蒸発器の蒸発温度が−１０〜−１５℃と低く、冬季の外気温度の低下にも補助熱源なしで暖房と温水ヒートポンプの機能を実行することができる。このように、ＣＯＰの向上と圧縮動力の減少により、エネルギー節約の効果を得ることができる。

図５は、さらに他の実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法を示したフローチャートである。

図５を参照すると、さらに他の実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法は、圧縮機から吐出された二酸化炭素（ＣＯ₂）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された冷媒が凝縮器で凝縮される段階５１０、凝縮器を通過した冷媒を、第１膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させる段階５２０、第１膨脹装置を通過した冷媒を、気液分離器を利用して沸点が低い他の冷媒と二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部を液体として分離し、残りの二酸化炭素（ＣＯ₂）を気体として分離させる段階５３０、気液分離器から吐出された高圧の気体状態である二酸化炭素（ＣＯ₂）を、第２膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させて第２予冷器に移動させる段階５４０、気液分離器から吐出された液体状態である他の冷媒と二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部を第２予冷器で冷却させた後、第３膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出し、蒸発器で他の冷媒と二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部を外気熱によって気化させる段階５５０、および第２予冷器を通過した二酸化炭素（ＣＯ₂）と蒸発器によって気化された他の冷媒と二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部は、互いに熱交換後に圧縮機に移動される段階５６０を含んでよい。

実施形態によると、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させることにより、蒸発器で冬季の低い外気にも容易に蒸発することのできる低温冷媒液を得ることができる。また、沸点が互いに異なるＣＯ₂とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ₂を５０〜９０％に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がより低い圧力の適用が可能となり、暖房用温水の効果も提供することで、エネルギーを節約することができる。

以下では、さらに他の実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法について、１つの例を挙げてさらに具体的に説明する。

さらに他の実施形態における、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法は、図１〜図４で説明した、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを利用してさらに具体的に説明する。ここで、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、圧縮機、凝縮器、第１膨脹装置、気液分離器、第２膨脹装置、第３膨脹装置、および蒸発器を含んで構成されてよい。また、実施形態によって、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、第１予冷器、第２予冷器、およびエジェクタまたはＥＰＲのうちの少なくともいずれか１つ以上をさらに含んで構成されてもよい。一方、ＣＯ₂冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法は、作動流体としてＣＯ₂冷媒を含んだ冷媒が循環する方法を示してよい。

段階５１０で、凝縮器は、圧縮機から吐出されたＣＯ₂と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された冷媒を凝縮させてよい。

ここで、冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ₂）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された混合冷媒であってよい。

より具体的に説明すると、冷媒は、沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ₂）とＨＦＣ系混合冷媒とを含み、ＣＯ₂の割合を５０％〜９０％に増加させ、高圧での圧力を低下させることで暖房用温水の提供が可能となる。

段階５２０で、第１膨脹装置は、凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させてよい。

このように、第１膨脹装置によって冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、第３膨脹装置によって中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を実行してよい。

段階５３０で、気液分離器は、第１膨脹装置を通過した冷媒を沸点が低い他の冷媒とＣＯ₂の一部を液体として分離し、残りのＣＯ₂を気体として分離させてよい。

段階５４０で、第２膨脹装置は、気液分離器から吐出された高圧の気体状態であるＣＯ₂を膨脹させて圧力を低下させ、第２予冷器に移動させてよい。

段階５５０で、第３膨脹装置は、気液分離器から吐出された液体状態である他の冷媒とＣＯ₂の一部を第２予冷器で冷却させた後、膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出してよい。

この後、蒸発器で他の冷媒とＣＯ₂の一部を外気熱によって気化させてよい。

段階５６０で、第２予冷器を通過したＣＯ₂と蒸発器によって気化された他の冷媒とＣＯ₂の一部は、互いに熱交換して圧縮機に移動されてよい。

このとき、エジェクタやＥＰＲ（蒸発圧力制御装置）を利用して第２予冷器から吐出された冷媒と蒸発器から吐出された冷媒の互いに異なる圧力差を補正し、圧縮機に移動させてもよい。

第１予冷器を通過しながら冷却させた後、圧縮機に移動されてよい。

第１予冷器は、蒸発器で気化された冷媒と凝縮器を通過したＣＯ₂が互いに熱交換し、圧縮機に吸入される低温気体が凝縮器の排出気体温度をさらに低めるようになる。

このように、実施形態によると、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させ、沸点が互いに異なるＣＯ₂とＨＦＣ系混合冷媒を用いてＣＯ₂を５０〜９０％に増加させることにより、二酸化炭素を冷媒として用いるヒートポンプで発生する低圧蒸発器側の圧力が高くて約０℃の蒸発器の気化温度を得るようになるため、冬季の外気が低ければ室外機（蒸発器）の冷媒気化がなされず補助熱源が必要になるという問題を解決することができる。

これにより、環境に優しい二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを提供し、オゾン層に悪影響を及ぼす冷媒を使用するヒートポンプに代替することにより、温室ガスの排出減少にも寄与することができる。

以上のように、本発明の実施形態について限定された実施形態と図面に基づいて説明したが、当業者であれば、上述した記載から多様な修正および変形が可能である。例えば、説明された技術が、説明された方法とは異なる順序で実行されたり、および／あるいは、説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が、説明された方法とは異なる形態で結合されたりまたは組み合わされたり、他の構成要素または均等物や均等冷媒としてＨＦＣの代りにオゾンに影響を及ぼすＨＣＦＣ系冷媒やアンモニア（Ｒ７１７）、プロパン（Ｒ２９０）などによって対置されたり置換されたとしても、適切な結果を達成することができる。

したがって、異なる実施形態であっても、特許請求の範囲と均等なものであれば、添付される特許請求の範囲に属する。

１００：多段ヒートポンプ
１１０：圧縮機
１２０：凝縮器
１３０：第１予冷器
１３１：第２予冷器
１４０：第１膨脹装置
１４１：第２膨脹装置
１４２：第３膨脹装置
１５０：気液分離器
１６０：蒸発器

Claims (7)

1. 圧縮機、凝縮器、気液分離器、膨脹装置、および蒸発器を含む二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプであって、
   前記凝縮器と前記気液分離器との間に構成され、前記凝縮器を通過した二酸化炭素（ＣＯ₂）と少なくとも１つ以上の他の冷媒を混合した混合冷媒を膨脹させて圧力を低下させる第１膨脹装置、
   前記気液分離器の次に配置された第２予冷器、
   前記気液分離器と前記第２予冷器との間に配置され、前記気液分離器から吐出された気体状態の前記二酸化炭素（ＣＯ₂）を膨脹させて圧力を低下させる第２膨脹装置、
   前記第２予冷器と蒸発器との間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態の前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部とを前記第２予冷器で冷却した後、膨脹させて圧力を低下させて前記蒸発器に吐出する第３膨脹装置、および
   前記凝縮器と前記第１膨脹装置との間に配置され、前記蒸発器の吐出口に連結する第１予冷器を含み、
   前記第１膨脹装置によって前記冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、前記第３膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹構造を有し、
   前記蒸発器で気化された冷媒と前記第２予冷器を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ₂）とが混合された混合冷媒と、前記凝縮器を通過した冷媒とを前記第１予冷器によって熱交換し、冷却後に前記圧縮機に移動されることを特徴とする、
   二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
2. 前記冷媒は、
   沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ₂）とＨＦＣ系混合冷媒とを含み、前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の割合を５０％〜９０％に増加して前記高圧での圧力を低下させ、暖房用温水および温風の提供が可能であることを特徴とする、
   請求項１に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
3. 前記冷媒は、
   前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と同時に、前記蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能であることを特徴とする、
   請求項１に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
4. 前記第２予冷器から吐出された冷媒と前記蒸発器から吐出された冷媒との互いに異なる圧力差を補正して前記圧縮機に送るエジェクタまたは蒸発圧力制御装置（ＥＰＲ）
   をさらに含む、
   請求項３に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
5. 前記蒸発器は、
   外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第１膨脹装置によって前記冷媒が高圧から中間圧に膨脹した後、前記第３膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹する、二段の膨脹工程を実行した前記冷媒の流入により気化温度が低くなることを特徴とする、
   請求項３に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。
6. 圧縮機から吐出された二酸化炭素（ＣＯ₂）と少なくとも１つ以上の他の冷媒が混合された冷媒とを凝縮器で凝縮し、
   前記凝縮器を通過した前記冷媒を、第１膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させ、
   前記第１膨脹装置を通過した前記冷媒から、気液分離器を利用して沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部とを液体として分離し、残りの前記二酸化炭素（ＣＯ₂）を気体として分離し、
   前記気液分離器から吐出された高圧の気体状態である前記二酸化炭素（ＣＯ₂）を、第２膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させて第２予冷器に移動させ、
   前記気液分離器から吐出された液体状態である前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部とを前記第２予冷器で冷却した後、第３膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出し、前記蒸発器で前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部とを外気熱によって気化させ、および
   前記第２予冷器を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ₂）と前記蒸発器によって気化された前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部とを、互いに熱交換した混合冷媒を第１予冷器に移動させ、
   前記第１予冷器において、前記凝縮器を通過した冷媒を、前記圧縮機に吸入される前記混合冷媒によって冷却すること
   を含む、
   二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法。
7. 二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプであって、
   沸点が互いに異なる二酸化炭素（ＣＯ₂）と少なくとも１つ以上の他の冷媒とを含む混合冷媒を圧縮する圧縮機、
   前記圧縮機の次に配置され、前記圧縮機を通過した冷媒を凝縮する凝縮器、
   前記凝縮器の次に配置され、前記凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させる第１膨脹装置、
   前記第１膨脹装置の次に配置され、前記第１膨脹装置によって前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させることにより、沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部とを液体として分離し、前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の残りを気体として分離させる気液分離器、
   前記気液分離器の次に配置され、前記気液分離器を通過した冷媒を冷却する第２予冷器、
   前記気液分離器と前記第２予冷器との間に配置され、前記気液分離器から吐出された気体状態の前記二酸化炭素（ＣＯ₂）を膨脹させて圧力を低下させる第２膨脹装置、
   前記第２予冷器と蒸発器との間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態の前記他の冷媒と前記二酸化炭素（ＣＯ₂）の一部とを前記第２予冷器で冷却した後、膨脹させて圧力を低下させて前記蒸発器に吐出する第３膨脹装置、および
   前記凝縮器と前記第１膨脹装置との間に配置され、前記蒸発器の吐出口に連結する第１予冷器を含み、
   前記混合冷媒は、
   前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、前記蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能であり、
   前記蒸発器は、
   外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第１膨脹装置によって冷媒が高圧から中間圧に膨脹した後、前記第３膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹する、二段の膨脹工程を実行した冷媒の流入により気化温度が低くなり、
   前記蒸発器で気化された冷媒と前記第２予冷器を通過した前記二酸化炭素（ＣＯ₂）とが混合された混合冷媒と、前記凝縮器を通過した冷媒とを前記第１予冷器によって熱交換し、冷却後に前記圧縮機に移動されることを特徴とする、
   二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。

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