JPH062958A - 複数熱源ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ポンプを要せず、動力消費の節約及び維持管理
の簡単化が可能な複数熱源ヒートポンプを提供する。 【構成】主回路１００は通常のヒートポンプとして低温
の第１吸熱器３から高温の放熱器１へ熱を輸送する。回
転式液冷媒移送器（液冷媒加圧移送手段）９において、
回転隔壁９１により互いに分離されつつ回転する作動室
９２のガス冷媒がガス冷媒排減圧口９９から放出される
と作動室９２が低圧となり、次にこの低圧の作動室９２
が液冷媒流入口９６に連通して液冷媒が作動室９２へ流
入される。次にこの液冷媒が流入された作動室９２が液
冷媒加圧口９８に連通すると作動室９２の液冷媒が高圧
となり、次にこの高圧の作動室９２が液冷媒排出口９７
に連通して液冷媒が作動室９２から第２吸熱器７へ排出
され、第２吸熱器７の熱が放熱器１に輸送される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷媒循環により複数の
熱源から熱を回収して被加熱対象を加熱する複数熱源ヒ
ートポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮機を用いた逆冷凍サイクルにより排
熱回収する２熱源ヒートポンプの一例として、特開昭６
１ー６５５８号公報、特開昭６１ー１９０２６３号公報
及び実開昭６４ー１３４６７は、高圧液冷媒を液ポンプ
で昇圧し第２吸熱器を経由しコンプレッサの吐出側に高
圧ガス冷媒として圧送するバイパスポンプ方式を開示し
ている。

【０００３】すなわち、これらの先行技術は、冷媒の凝
縮により被加熱対象を間接加熱する放熱器と、冷媒減圧
装置と、第１熱源により間接加熱されて冷媒を蒸発させ
る第１吸熱器と、圧縮機と、前記放熱器とが冷媒配管に
より順番に連結されてなるヒートポンプにおいて、第２
熱源により間接加熱されて冷媒を蒸発させる第２吸熱器
と、放熱器の出口から分岐させた液冷媒を昇圧して第２
吸熱器を経由して放熱器（すなわち圧縮機の吐出側）に
送給するポンプとが設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した２熱源式ヒー
トポンプは、高温熱源さえあれば圧縮機動力を増加させ
ずに輸送熱量を増大できるが、液冷媒昇圧用のポンプ及
びその駆動動力を必要とするので、構成の複雑化、保守
作業及び動力消費の増大が難点となる。またこのような
ポンプには、ポンプ一般の問題として不使用時の液漏れ
や又は液冷媒中のガス冷媒の分離などによりポンプ内部
にガス空間が発生すると、ポンプが空運転状態となって
液加圧機能を損ない、液冷媒を第２吸熱器に圧送できな
くなる不具合があった。したがって、ポンプのシールの
管理、ポンプ内のガス抜き作業など維持管理に手間がか
かると言う問題もあった。

【０００５】本発明はこのような問題に鑑みなされたも
のであり、ポンプを要せず、動力消費の節約及び維持管
理の簡単化が可能な複数熱源ヒートポンプを提供するこ
とをその目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の複数熱源ヒート
ポンプは、第１熱源からの間接加熱により冷媒を蒸発さ
せる第１吸熱器と圧縮機と放熱器と冷媒減圧装置とを連
結してなる主回路と、前記主回路から吸い込んだ液冷媒
を加圧して排出する液冷媒加圧移送手段と、前記液冷媒
加圧移送手段から排出された液冷媒を第２熱源からの間
接加熱により蒸発させて前記放熱器に送出する第２吸熱
手段とを備える複数熱源ヒートポンプにおいて、前記液
冷媒加圧移送手段は、ハウジング内を回転する回転隔壁
により互いに分離されつつ回転する複数の作動室と、前
記ハウジングに開口され前記主回路からの液冷媒を前記
作動室に流入する液冷媒流入口と、前記ハウジングに開
口され前記作動室から前記第２吸熱器へ液冷媒を排出す
る液冷媒排出口と、前記ハウジングに開口され前記主回
路の高圧側から前記作動室へ高圧ガス冷媒を注入し液冷
媒を加圧する液冷媒加圧口と、前記ハウジングに開口さ
れ前記作動室から前記主回路の低圧側へガス冷媒を放出
し減圧するガス冷媒減圧口とを有することを特徴として
いる。

【０００７】

【作用】主回路は通常のヒートポンプとして低温の第１
吸熱器から高温の放熱器へ熱を輸送する。液冷媒加圧移
送手段は、ハウジング内を回転する回転隔壁により互い
に分離されつつ回転する複数の作動室を有し、各作動室
が回転しつつハウジングの各部に開口された後述の各ポ
ートに順次連通すると、液冷媒又はガス冷媒が作動室に
出入する。

【０００８】すなわち、ガス冷媒減圧口から作動室のガ
ス冷媒が放出されると作動室が低圧となり、次にこの低
圧の作動室が液冷媒流入口に連通して液冷媒が作動室へ
流入される。次にこの液冷媒が流入された作動室が液冷
媒加圧口に連通すると作動室が高圧となり、次にこの高
圧の作動室が液冷媒排出口に連通して液冷媒が作動室か
ら排出され、これにより第２吸熱器の熱が放熱器に輸送
される。

【０００９】

【実施例】

（第１実施例）本発明の複数熱源ヒートポンプの一実施
例を、図１により説明する。この複数熱源ヒートポンプ
は、車両に搭載されてエンジン１６により駆動されるも
のであって、冷媒の凝縮により被加熱対象を間接加熱す
る室内側熱交換器（本発明でいう放熱器）１と、断熱膨
張部（本発明でいう冷媒減圧装置）２と、第１熱源（外
気）により間接加熱されて冷媒を蒸発させる室外側熱交
換器（本発明でいう第１吸熱器）３とを冷媒配管により
順番に連結して四方切換弁４の２端に接続し、四方切換
弁４の残る２端の一つを圧縮機６の吸入端に連結し、四
方切換弁４の残る２端の残り一つを高圧ガス冷媒抵抗体
４０を通じて圧縮機６の吐出端に連結し、更に断熱膨張
部２の高圧液冷媒部位と高圧ガス冷媒抵抗体４０の出口
との間に回転式液冷媒移送器（本発明でいう液冷媒加圧
移送手段）９及び第２吸熱器７をこの順番に接続したも
のである。更に、四方切換弁４、回転式液冷媒移送器９
の回転制御モータ１０９を制御するコントロ−ラ１５を
備える。

【００１０】以下、各部詳細を説明する。まず、断熱膨
張部２を説明する。この断熱膨張部２はブリッジ構成を
もつ４個の逆止弁１１、１２、１７、１８と、その互い
に反対の二端間に連結されるレシーバ８及び断熱膨張弁
２０とからなる。ヒートポンプ運転時に室内側熱交換器
（放熱器）１から出た液冷媒は逆止弁１１を流れてレシ
ーバ８に貯溜され、レシーバ８から出た液冷媒は断熱膨
張弁２０で膨張し、逆止弁１２を流れて室外側熱交換器
（第１吸熱器）３に流入する。逆に冷房時には室外側熱
交換器（第１吸熱器）３からでた液冷媒は逆止弁１７を
流れてレシーバ８に貯溜され、レシーバ８から出た液冷
媒は断熱膨張弁２０で膨張し、逆止弁１８を流れて室内
側熱交換器（放熱器）１に流入する。

【００１１】次に、回転式液冷媒移送器９を説明する。
回転式液冷媒移送器９は、ハウジング９０内を回転する
ロータ１０１により互いに分離されつつ回転する複数の
作動室９２と、ハウジング９０に開口された液冷媒流入
口９６、液冷媒排出口９７、液冷媒加圧口９８、ガス冷
媒減圧口９９を有している。液冷媒流入口９６はレシー
バ８の出口から作動室９２の一つに液冷媒を流入し、液
冷媒排出口９７は作動室９２の一つから第２吸熱器７へ
液冷媒を排出し、液冷媒加圧口９８は圧縮機６の吐出端
から作動室９２の一つへ高圧ガス冷媒を注入し、ガス冷
媒減圧口９９は作動室９２の一つから圧縮機６の吸入端
へガス冷媒を放出する。

【００１２】更に回転式液冷媒移送器９の構造を図２、
図３を参照して詳細に説明する。ハウジング９０を構成
するリヤハウジング９３、センターハウジング９４、フ
ロントハウジング９５はモータ１０９とともに順番に配
設され、通しボルト１１２により組付けられている。円
筒形状のセンターハウジング９４の開口側端面はプレー
ト状のリヤハウジング９３により密閉されて内部に作動
空間が気密に形成され、この作動空間には液冷媒を移送
するためのロータ１０１が回転自在に収容されている。
ロ−タ１０１は、シ−ルシャフト部１０２と、メカニカ
ルシ−ルシャフト部（冷媒シ−ル用）１０３と、モータ
連接部１０４とからなるシャフトを通じてモータ１０９
の駆動軸に連結されている。

【００１３】メカニカルシ−ルシャフト部１０３にはフ
ロントハウジング９５の中空部１０５に組付けされたメ
カニカルシ−ル１０６がありフロントハウジング９５に
固定嵌着されたメカニカルシール１０６ｂとメカニカル
シールシャフト部１０３に固定された回転側メカニカル
シール１０６ａとで構成され回転摺動面１０６ｃの部分
により上記作動空間からの冷媒漏れを防止している。ま
た、中空部１０５は高圧液冷媒溜り防止と大気側への洩
れ量低減を目的として減圧連通孔（図示せず）にてガス
冷媒減圧口９９に連通している。シ−ルシャフト部１０
２はセンターハウジング９４のメタル軸受け部に枢支さ
れている。

【００１４】ロ−タ部１０１は、センターハウジング９
４の円形底板及びリヤハウジング９３に個別に摺接する
一対の円板部１１０と、互いに１２０度の角度で離れつ
つ軸心から遠心方向に延在する３枚の回転隔壁９１とを
備え、回転隔壁９１の径方向外端面はセンターハウジン
グ９４の内周面に摺接している。したがって、センター
ハウジング９４内の作動空間は回転隔壁９１により３個
の作動室９２に仕切られ、各作動室９２は互いに独立に
シールされている。

【００１５】この実施例では、液冷媒流入口９６はセン
ターハウジング９４の頂部に、液冷媒排出口９７はその
底部に、液冷媒加圧口９８は液冷媒排出口９７よりも反
時計方向に約２５度変位した部位に、ガス冷媒減圧口９
９は液冷媒注入口９６よりも反時計方向に２５度変位し
た部位に、それぞれ形成されている。モータ１０９はギ
ャードモータであり、コントローラ１５により回転速度
制御可能となっている。

【００１６】次に、第２吸熱器７を説明する。第２吸熱
器７は、第２熱源（ここではエンジン１６、特にその冷
却水）により間接加熱されて高圧液冷媒を蒸発させる間
接熱交換器である。次に、高圧ガス冷媒抵抗体４０につ
いて説明する。高圧ガス冷媒抵抗体４０は圧縮機６の吐
出端と、第２吸熱器７のガス冷媒排出側と四方切換弁４
との合流点とを連通するオリフィス（ここでは所定の流
体抵抗値の細管）からなるが、流体抵抗値の比例制御が
可能な比例制御弁としてもよい。高圧ガス冷媒抵抗体４
０は第２吸熱器７のガス冷媒排出側圧力を圧縮機６の吐
出端よりその圧力損失分だけ低下させるものである。更
に、高圧ガス冷媒抵抗体４０として全開時の圧力損失の
小さいボール型バルブやパックド式バルブ等の電磁比例
制御弁や、ノズルを採用することもできる。５０は室内
側熱交換器１のファンであり、３０は室外側熱交換器３
のファンである。

【００１７】以下、この複数熱源ヒートポンプの暖房運
転モ−ドを説明する。通常のヒートポンプサイクル動作
として圧縮機６の吐出口から吐出された高圧ガス冷媒
（ここでは約１６気圧とする。）は高圧ガス冷媒抵抗体
４０及び四方切換弁４を介して室内側熱交換器１に送ら
れて凝縮し、かつ室内側熱交換器１における圧力損失に
より多少、減圧して約１５気圧の液冷媒となり、逆止弁
１１を通じてレシーバ８に貯溜され、その後、断熱膨張
弁２０で断熱膨張して約２気圧となり、室外側熱交換器
３で蒸発（等圧加熱）した後、四方切換弁４を介して圧
縮機６の吸入口へリターンして再圧縮される。なお、断
熱膨張弁２０はエバポレ−タとしての室外側熱交換器３
の出口側の温度と圧力によりガス過熱度を制御されてお
り、常にこの温度を過熱状態に保持している。

【００１８】次に回転式液冷媒移送器９の液冷媒加圧移
送動作及び第２吸熱器の加熱動作を説明する。回転式液
冷媒移送器９はコントローラ１５により制御されて適切
な回転数で回転する。 ここで、圧縮機６から出た高圧
ガス冷媒は回転式液冷媒移送器９の作動室９２内の液冷
媒を吐出圧力Ｐｈ１で加圧する。また圧縮機６から出た
高圧ガス冷媒は高圧ガス冷媒抵抗体４０で減圧されるた
め、第２吸熱器７の出口圧力はＰｈ２に減圧され作動室
９２の圧力より低くなる。よって、液冷媒排出口９７が
同じ作動室９２の中で液冷媒加圧口９８と連通すると、
上記圧力差（Ｐｈ１−Ｐｈ２）により作動室９２内の高
圧液冷媒が液冷媒排出口９７から第２吸熱器７へ排出さ
れ、この作動室９２内は高圧ガス冷媒が充満する。高圧
ガス冷媒が充満したこの作動室９２が回転してガス冷媒
減圧口９９と連通すると作動室９２中の高圧ガス冷媒は
ガス冷媒減圧口９９から圧縮機６の吸込口の低圧側へ放
出され作動室９２は低圧となる。次に、低圧となったこ
の作動室９２が液冷媒流入口９６と連通すると、圧力差
によりレシーバ８から作動室９２へ液冷媒が流入され
る。

【００１９】このようにして、回転式液冷媒移送器９は
回転するだけで高圧ガス冷媒の圧力エネルギにより液冷
媒を高圧に加圧して第２吸熱器７へ連続的に供給する。
第２吸熱器７には温水電磁２方弁３１を通じてエンジン
１６より高温のエンジン冷却水が供給され、その結果、
第２吸熱器７へ排出された高圧液冷媒は蒸発して高圧ガ
ス冷媒となり、放熱器１へ送り出され、室内側熱交換器
１へ流れる高温の高圧ガス冷媒は、通常のヒートポンプ
サイクル動作における主回路１００の冷媒循環量Ｇ₁ と
第２吸熱器７からの冷媒循環量Ｇ₂ の総和Ｇ₁ ＋Ｇ₂ と
なり、室内側熱交換器１は大きな放熱効果が得られる。

【００２０】この二熱源式ヒートポンプ各部の冷媒状態
及び挙動を、図４のモリエル線図により説明する。ま
ず、ｇ，ｂ，ｄ，ａ，ｆ，ｇからなるサイクルは主回路
１００の通常のヒートポンプサイクルであり、ガス冷媒
は圧縮機６によりｇからｂまでほぼ断熱圧縮され、次に
高圧ガス冷媒抵抗体４０で多少断熱膨張して減圧され、
次に室内側熱交換器１により多少減圧されつつ冷却（凝
縮）されてａに至り、次に膨張弁２０により断熱膨張さ
れてｆに達し、室外側熱交換器３により少しだけ減圧さ
れつつ加熱（蒸発）されてｇに戻る。

【００２１】次のａ，ｍ’，ｋ，ｄからなるサイクルは
回転式液冷媒移送器９及び第２吸熱器７の熱輸送動作を
示しており、レシーバ８の液冷媒は作動室９２への流入
により減圧されｍ’点に達し、この作動室９２への高圧
ガス冷媒の注入により液冷媒が加圧されてｋ点に達し、
第２吸熱器７で加熱されてｄ点に達する。図５に各作動
室９２をＡ室、Ｂ室、Ｃ室と称して、冷媒状態及び圧力
と回転角度との関係を図示する。

【００２２】以上説明した二熱源式ヒートポンプによれ
ば、以下の効果を奏することができる。まず、冷媒ポン
プ及びその運転動力を省略し、圧縮機動力もほとんど増
加することなく暖房能力を顕著に増大することができ
る。なお、回転式液冷媒移送器９を回転する動力は必要
であるが、回転式液冷媒移送器９は液冷媒を直接加圧す
るポンプ方式ではないので極めて小型のものでよく動力
消費も極めて少なくて済む。特に、ポンプを用いないた
め、ポンプの液漏れや内部でのガス冷媒の発生によりポ
ンプが空運転して、必要なポンプ揚程を発揮せず、放置
するとポンプが過熱するという問題が生じることがな
い。 （第２実施例）他の実施例を、図６により説明する。

【００２３】この複数熱源ヒートポンプは、図１の断熱
膨張部２をキャピラリ２ａに変更し、実施例１の圧縮機
６の吸入端と四方切り換え弁４との間にアキュームレー
タ５を追設し、更に回転式液冷媒移送器９の液冷媒流入
口をアキュームレータ５の底部に連通させ、回転式液冷
媒移送器９のガス冷媒排減圧口９９をアキュームレータ
５と圧縮機６の低圧側との接続部に連通させたものであ
る。

【００２４】作動としては殆ど実施例１と同じである
が、この実施例ではアキュームレータ５から流入された
低圧の液冷媒を加圧して第２吸熱器７へ送り込む点が異
なっている。図７のモリエル線図で説明すると、まず、
ｇ，ｂ，ｄ，ａ，ｆ，ｍ，ｇからなるサイクルは実施例
２の主回路１００のヒートポンプサイクルである。

【００２５】次のｍ，ｍ’，ｋ，ｄからなるサイクルは
回転式液冷媒移送器９及び第２吸熱器７の熱輸送動作を
示しており、アキュームレータ５から作動室９２へ液冷
媒だけが流入され（ｍからｍ’）、この液冷媒が高圧ガ
ス冷媒によりｋ点まで高圧液冷媒に加圧され、その後、
第２吸熱器７で加熱されてｄ点に達する。この実施例に
よれば、回転式液冷媒移送器９がアキュームレータ５か
ら受け取った低圧の液冷媒を加圧する構成を採用してい
るので、実施例１に比べて断熱膨張部２を簡単なキャピ
ラリ２ａに置換でき、構成が簡単となる効果がある。 （実施例３）他の実施例を図８及び図９に示す。

【００２６】この実施例は図２、図３に示す回転式液冷
媒移送器９の回転隔壁９１を４枚設けるとともに、各口
９６〜９９の位置を変更したものである。液冷媒流入口
９６はリヤハウジング９３の斜め上部に、液冷媒加圧口
９８はリヤハウジング９３の斜め下部に開口され、ガス
冷媒減圧口９９はセンターハウジング９４の周壁頂部
に、液冷媒排出口９７はセンターハウジング９４の周壁
底部に開口されている。

【００２７】図９は回転式液冷媒移送器９停止状態を示
し、各口は４枚の回転隔壁９１により互いに分離されて
いる。回転式液冷媒移送器９が回転すると、図８の状態
と図９の状態に交互になり、液冷媒の加圧移送を行う。
この実施例によれば、図９の位置で回転隔壁９１を停止
させることにより回転式液冷媒移送器９停止時の各口間
の連通を遮断することができる。

【００２８】なお図１０はレシーバ８またはアキューム
レータ５、第２吸熱器７、回転式冷媒移送器９を一体化
することにより装置構成をコンパクトにしたものであ
る。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の複数熱源ヒ
ートポンプは、圧縮機動力をほとんど増加することな
く、かつ、ポンプを必要とせずに、熱回収能力を向上さ
せることができるので、動力消費の節約及び維持管理の
簡単化が可能な複数熱源ヒートポンプを実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複数熱源ヒートポンプの一実施例を示
すブロック図、

【図２】図１の回転式液冷媒移送器の断面図、

【図３】図１の回転式液冷媒移送器のＡ矢視断面図、

【図４】図１の装置の暖房運転モ−ドにおけるモリエル
線図、

【図５】図１の装置の暖房運転モ−ドにおける冷媒状態
図、

【図６】他の実施例を示すブロック図、

【図７】図６の装置の暖房運転モ−ドにおけるモリエル
線図、

【図８】回転式液冷媒移送器の他の態様を示す断面図、

【図９】回転式液冷媒移送器の他の態様を示す断面図、

【図１０】回転式液冷媒移送器の他の態様を示す断面
図。

【符号の説明】

１…室内側熱交換器（放熱器） ２…断熱膨張部 ３…室外側熱交換器（第１吸熱器） ４…四方切換弁 ６…圧縮機 ７…第２吸熱器 ９…回転式液冷媒移送器（液冷媒加圧移送手段） １５…コントロ−ラ １６…エンジン（第二熱源） ９１…回転隔壁、 ９２…作動室 ９６…液冷媒流入口 ９７…液冷媒排出口 ９８…液冷媒加圧口 ９９…ガス冷媒減圧口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１熱源からの間接加熱により冷媒を蒸発
   させる第１吸熱器と圧縮機と放熱器と冷媒減圧装置とを
   連結してなる主回路と、前記主回路から吸い込んだ液冷
   媒を加圧して排出する液冷媒加圧移送手段と、前記液冷
   媒加圧移送手段から排出された液冷媒を第２熱源からの
   間接加熱により蒸発させて前記放熱器に送出する第２吸
   熱手段とを備える複数熱源ヒートポンプにおいて、 前記液冷媒加圧移送手段は、 ハウジング内を回転する回転隔壁により互いに分離され
   つつ回転する複数の作動室と、 前記ハウジングに開口され前記主回路からの液冷媒を前
   記作動室に流入する液冷媒流入口と、 前記ハウジングに開口され前記作動室から前記第２吸熱
   器へ液冷媒を排出する液冷媒排出口と、 前記ハウジングに開口され前記主回路の高圧側から前記
   作動室へ高圧ガス冷媒を注入し液冷媒を加圧する液冷媒
   加圧口と、 前記ハウジングに開口され前記作動室から前記主回路の
   低圧側へガス冷媒を放出し減圧するガス冷媒減圧口とを
   有することを特徴とする複数熱源ヒートポンプ。