JPH11148739A - 可変冷凍能力のステージ内圧縮型ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可変冷凍能力のステージ内圧縮型ヒートポン
プを提供する。 【解決手段】 ヒートポンプシステムは、多成分を有す
る冷媒混合物を用いており、この混合物は、低圧成分が
上記混合物の残りの成分とゼオトロープ特性を有してい
る。この低圧成分は、蒸発によって分離されて、周囲温
度が低い場合であっても加熱能力が向上されるようにな
っている。蒸気は、ヒートポンプの凝縮機内の流体のう
ちの液体から、蒸発機と上記凝縮機のそれぞれの温度の
間の温度において分離され、その蒸気は、上記圧縮機の
圧縮ストロークの中間の圧力ポイントにおいて補助イン
レットへと導入されるようにして構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変冷媒組成を有
し、広い領域において効率を改善し、及び／又は上記圧
縮機へと蒸気を注入する効率を改善して、加熱及び冷凍
モードの双方の能力及び効率を向上させたヒートポンプ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ヒートポンプシステムは、通常では２方
向に用いられ、加熱及び冷凍を行うことができるように
されており、これらは、しばしば同時に行われることも
ある。多成分のＣＦＣ又はＨＣＦＣ冷媒を用いて、加熱
の際のヒートポンプの利用範囲における低温度端を延長
させることが知られている。しかしながら、地球のオゾ
ン層破壊及び地球温暖化のため、塩素含有成分であるＣ
ＦＣ又はＨＣＦＣを使用が近年制限されているので、環
境上許容可能なＨＦＣ及びそれ以外を使用することが望
まれている。現在における電動型の住居用及び小型の市
販のヒートポンプは、２つの運転上の制限及び性能上の
制限がある。これらは、主として約３０゜Ｆ（約−１°
Ｃ）又は４０゜Ｆ（約４°Ｃ）以下と言った周囲温度が
低い場合には能力が不十分なので、電気抵抗型ヒータ又
は化石燃料源といった補助熱源を用いる必要がある。こ
れに加えて周囲温度が低い場合にヒートポンプを作動さ
せて空気を加熱できる温度は、人間が心地よいと感じる
よりも低く、約９０゜Ｆ（約３２°Ｃ）以下で室内に流
入すると、上記空気の流れによるすきま風のような不快
感を生じさせてしまう。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、極めて広い
周囲温度において運転領域を有するヒートポンプシステ
ムを提供することを目的とし、この広い周囲温度領域に
おいて効率よく運転でき、かつ、建物の熱負荷要求に適
合でき、すきま風による冷気を生じさせないように、充
分に高い温度へと空間を暖房することができる効率を備
えることで心地よい供給空気温度を与えることができ、
さらには環境的に許容可能な安全な冷媒を用いたヒート
ポンプシステムを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第１の構成によれば、上記ヒートポンプシ
ステムは、多成分のゼオトロープ的な混合冷媒であっ
て、その混合物の１つ又はそれ以上の成分が他の成分よ
りも高い沸点を有する混合冷媒を用い、その低圧成分の
実質的な部分がこの混合物から分離されても、上記シス
テムの能力を満足させるような量の冷媒を用い、かつ蒸
発カラム及びセパレータに連結される貯蔵タンクが上記
システムの混合物から上記低圧成分を除去するように構
成されている。本発明のこの構成によればさらに、上記
貯蔵タンク内の流体は、上記混合物からの上記低圧成分
の分離をさらに向上させるため、加熱することもでき
る。本発明のこの構成によればさらに、貯蔵タンクの流
体は、上記システムが加熱モードで運転されている場合
には上記コンデンサの流出物（アウトフロー：outflo
w）によって加熱されるようになっていても良く、これ
により戻り冷媒を予備冷却するようになっていても良
い。上記低圧成分が上記システムの上記混合物から実質
的に除去され、上記貯蔵タンク内に溜められて分離がな
されるので、蒸留プロセスすなわち上記冷媒のさらなる
加熱又は冷却をする必要がなくなる。又は、上記蒸発プ
ロセスは、上記加熱モードにおける全運転時間の間だけ
続けることも可能である。本発明のこの構成は、多数の
ＨＦＣ混合物及び他の環境的に許容可能な冷媒について
完全に良好に機能する。このような冷媒混合物として
は、例えばＲ４０７ＣがそのＲ３２，Ｒ１２５，Ｒ１３
４ａの含有量の点から特に好ましい。その組成は、Ｒ３
２を２３％、Ｒ１２５を２５％、Ｒ１３４ａ（低圧成分
である）を５２％を含有する。しかしながら、これらの
冷媒及び別のＨＦＣはまた、種々の組み合わせにおいて
も良好に機能する。

【０００５】本発明の別の構成によればステージ内圧縮
構成が提供でき、上記冷媒蒸気は、上記システム冷媒フ
ローから上記コンデンサを流れる流体温度と上記蒸発機
を流れる温度の間で温度平衡において選択した圧力で分
離でき、その蒸気は、その後その圧縮ストロークにおけ
る実質的に選択した圧力ポイントにおいて上記圧縮機へ
と導入される。本発明のこの構成によれば、その蒸気分
離は、フラッシュタンクによって、又は上記冷媒の流れ
のうちの液体と気体との間で熱交換させることによって
達成される。本発明のこの構成は、所定の圧縮機を用い
たヒートポンプシステムにおいて著しく効率及び能力を
向上させることになる。

【０００６】本発明によれば、上記冷媒混合物を調節す
ることで有効領域を増大させることが可能となるととも
に、加熱効率が向上でき、選択した中間的な圧力におい
て蒸気を分離でき、さらには、上記圧縮機のストローク
が同程度の圧力にある際にインレットへと上記蒸気を供
給することを可能とさせることで、上記ヒートポンプシ
ステムの能力，効率，及び使用できる有効範囲を著しく
改善することを可能とする。本発明の他の目的、特徴、
及び効果については図面を持ってする後述の代表的な実
施例の詳細な説明により、より明らかとなろう。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１を参照すると、本発明のヒー
トポンプシステム１２は、インドアセクション１３とア
ウトドアセクション１４とを有している。このインドア
セクションは、従来型のプライマリコイル１６と、膨張
バルブ１７と、一方向に流すための逆止弁といったフロ
ーデバイスと、を有している。この逆止弁１８は、上記
膨張バルブ１７を上記フローが上記インドアセクション
内部で反時計回りとなっている場合に作動しないように
されている。

【０００８】上記アウトドアセクション１４は、従来型
のプライマリコイル２１と、膨張バルブ２２と、逆止弁
２３と言った一方向に流すためのフローデバイスを有し
ている。上記アウトドアセクションはまた、圧縮機２６
を有しており、この圧縮機は、導管２７により４方向バ
ルブ２８へと連結されているが図１には、このバルブ２
８が中立位置にあるのが示されている。上記バルブ２８
は、上記ヒートポンプシステムが運転の冷却モードで
は、上記コイルへ上記導管２７を導管２９を通じて上記
コイル２１へと連結させ、又は運転の加熱モードでは、
上記導管２７を導管３０を通じて上記コイル１６へと連
結させるようにソレノイド３１によって電気的又は電子
的に位置決めすることが可能とされている。これらのモ
ードは、図２〜図７において、より完全に示されている
が、これについては後述する。本発明の第１の構成とし
ては、上記圧縮機２６は、どのような従来型の圧縮機と
されていても良く、ピストン型、スクロール型、又はこ
れら以外の圧縮機とされていても良い。本発明のステー
ジ内圧縮構成を組み込むために、後述する図８〜図１０
に示すように変更を加えたスクロール型圧縮機を用いる
ことが好ましい。しかしながら、スクリュー型、ロータ
リ型、往復型といった、別の型の圧縮機でも所望により
用いることができ、これらにステージ内圧縮技術を提供
することが可能である。

【０００９】上記圧縮機２６は、導管３３を介して従来
型の吸引アキュムレータ３４から導入が行われ、この導
入物は、導管３５，３６内を上記４方向バルブ２８の位
置に応じ、上記コイル１６又は上記コイル２１から供給
されるようになっている。上記アキュムレータ３４は、
従来型のオイルブリード（図示せず）を有しており、こ
のオイルブリードは、上記アキュムレータ内のすべての
液体を徐々に計量しつつ上記圧縮機へと戻すことで、圧
縮機用オイルを回収するようにされている。

【００１０】これまで説明してきたのは、従来型の装置
である。本発明の低圧冷媒貯蔵室の詳細については、図
１、より詳細には図２〜図７を参照して説明する。本発
明によれば、低圧冷媒貯蔵タンク３９は、ヒータコイル
４０を有しており、このヒータコイルは、導管４１，４
２によってバルブＢの一方側へと連結されている。この
バルブＢは、ソレノイド４４と言ったどのような好適な
電気的又は電子的な手段によっても選択的に駆動可能と
されている。上記バルブＢが開かれると、上記導管４
１，４２及び上記ヒータコイル４０は、本質的には上記
システムには寄与しない。上記貯蔵タンク３９は、従来
型の蒸発カラム４７を有しており、この蒸発カラムは、
従来型の液体／気体セパレータ４８と協動して、対とな
ったバルブＡが閉鎖された場合には、上記タンク３９
と、上記カラム４７と、上記セパレータ４８とを、本質
的に上記システムから切り離すように作用する。上記バ
ルブＡが双方とも開かれている場合には、ソレノイド４
９と言ったいかなる好適な電気的又は電子的な手段によ
っても、上記導管３６内の気化された戻り冷媒は、右手
側のバルブＡ５０を介して上記セパレータ４８へと供給
される。

【００１１】上記液体は、上記カラム４８を通して下側
へと向かって流れる傾向にある。ゼオトロープ的な冷媒
混合物のより揮発性の低い（低圧）冷媒は、上記カラム
４７を満たすようにして従来通り凝縮される。上記混合
物中のより揮発（高圧の）成分の蒸気は、上記液体から
分離され易く、その蒸気は左手側のバルブＡを介して上
記導管５２を通って上記導管３５へと導入されて、上記
吸引アキュムレータ３４へと戻されるようになってい
る。本発明によれば上記バルブＡが開くと上記システム
には、十分な量の冷媒が充填され、上記低圧成分が分離
された場合でも上記システムの能力は、上記高圧成分に
よって満足されることとなる。この低圧成分（Ｒ４０７
Ｃ）は、上記システムが設計される最も高い周囲温度に
おいて必要とされるよりも２倍以上の量が用いられる。
上記バルブＡが開かれ、上記バルブＢが閉鎖されると、
上記戻り冷媒は、上記ヒータコイル４０を介して上記導
管４１，４２を通って流れ、上記タンク３９内の上記液
体を加熱して、より揮発性の成分を蒸発させ、かつ、こ
れを上記カラム４７を通して上側へと流させるようにな
っている。上記より低揮発性成分の上側に向かって流れ
る蒸気の一部は、上流に行くに従って冷却されるので凝
縮され、上記タンク３９へと戻される。上記コイル４０
からの熱は、上記カラム４７内における上記高圧冷媒か
らの上記低圧冷媒の分離を向上させる。上記セパレータ
４８の代わりに、フローディストリビュータを用いるこ
ともできる。しかしながら、簡単な構成のセパレータが
極めてコスト効果があり、好適である。

【００１２】さらに本発明によれば、凝縮は、バルブＣ
によって行われ、このバルブＣは、ソレノイド５５とい
ったどのような好適な電気的又は電子的な手段によって
も選択的に開閉することができるようにされていて、上
記貯蔵タンク３９の底部を導管５６，５７を通して上記
減圧アキュムレータ３４に連結させるようになってい
る。一つの実施例では、上記貯蔵タンク３９は、上記ア
キュムレータ３４のインレットよりも垂直方向に高くマ
ウントされていて、上記液体は、上記タンク３９から上
記アキュムレータ３４へと重力によって流れるようにさ
れている。別の実施例では、凝縮が望ましい場合には、
上記バルブＡ，Ｂ，Ｃを閉ざし、上記タンク３９、上記
カラム４７、上記セパレータ４８内の流体を、十分な圧
力となるまで加熱して上記バルブＣを開けて上記タンク
３９の外へと、上記導管５６，５７を通して上記液体を
上記減圧したアキュムレータ３４へと排出させるように
もすることができる。蒸発又は凝縮している間に、所望
により投入型の電気ヒータをコイル４０，上記導管４
１，４２，及びバルブＢの代わりに用いることもでき
る。しかしながら、上記コイル４０を含む図示した装置
は、電気的エネルギーを用いることなく、かつ戻り冷媒
を予備冷却することができるのでより経済的である。

【００１３】上記特定冷媒組成物については、本発明が
係るものではないが、例示的には市販に用いることがで
きるＲ４０７Ｃを挙げることができ、これは、重量パー
セントでＲ３２を２３％、Ｒ１２５を２５％、Ｒ１３４
ａを５２％含有している。これら以外の別のいくつかの
ＨＦＣ冷媒のゼオトロープ混合物も加熱及び冷却の変更
の要求に応じて用いることができる。

【００１４】本発明によれば、図１の上記ヒートポンプ
システムが上記インドアセクション１３の加熱に用いら
れる場合には上記冷媒組成を、より揮発性分が多くなる
ように変更して上記冷媒混合物の最も低圧（最も揮発性
のない）の成分を大部分を効率的に除去することによっ
て、効率を改善することにより、熱を抽出する室外温度
が著しく低くても、実質的に室内に導入される室内温度
を著しく向上することができる。知られているように、
Ｒ４０７Ｃは、そのＲ１３４ａ成分及び他の成分がゼオ
トロープ的な関係にある。したがって、上記Ｒ１３４ａ
成分は、上記Ｒ３２及びＲ１２５成分から、公知の仕方
で選択的に揮発又は凝縮させることによって分離させる
ことができる。本発明は、これを効率を改善させつつ達
成するのであり、上記冷媒の加熱運転の際の蒸発プロセ
スを維持させるため、定常的な加熱又は冷却は必要とさ
れず、また従来達成されていたよりもより効率の高い組
成物回収率が得られるのである。しかしながら、本発明
は、戻り冷媒を上記貯蔵タンク中の上記液体を予備冷却
するために用いているので効率が向上し、加熱期間中に
わたって連続して蒸発を続けることができることにな
る。

【００１５】本発明の１つの構成では、上記システム
を、その能力に対して要求されるよりも２倍以上まで冷
媒がオーバーチャージされる。このためこの余分な冷媒
は、タンク３９に貯蔵される。図２には、上記システム
が最初に充填され、加熱モードで運転されている構成が
示されている。上記４方向バルブ２８は、上記導管３０
及び凝縮機として動作する上記コイル１６を通して上記
圧縮機２６の流出物を向かわせ、蒸発機として動作する
上記コイル２１からの流れを受け取るような位置とされ
る。この流出物は、上記導管３６へと向けられて、上記
アキュムレータ３４への戻され、上記インドアセクショ
ンを加熱するようになっている。これに加えて、複数の
上記バルブＡが開かれて上記セパレータ４８が上記導管
３６，５２へと連結され、上記システムのスタート直後
の高い液体含有量の上記蒸発機２１からの上記戻り冷媒
の、特にその液体の大部分を上記アキュムレータ３４の
他にも、上記セパレータ４８へと与えるようにされてい
る。これに加えて、上記バルブＢが開かれて上記ヒータ
コイル４０は、本質的にシステムから遮断されている。
上記バルブＣは、閉ざされていて、上記タンク３９の底
部と上記アキュムレータ３４の間の連結が遮断されてい
る。この構成においては、上記液体及び蒸気は、双方と
も上記カラム４７へと流され、上記液体は、従来のよう
に貯蔵タンク３９へと下に向かって流れてゆき、上記セ
パレータ４８へと上に向かって流れてゆく。上記混合物
のより揮発性のある成分は、蒸気層に残留又は導入さ
れ、上記混合物のより揮発性の少ない成分（Ｒ１３４
ａ）は、液層中に残留又は導入されて、上記貯蔵タンク
３９へと下に向かって流れてゆく。上記システムが平衡
に達してから所定時間の後、上記システムのタンク３９
外にあるＲ１３４ａの重量％は、上記混合物の５２％か
ら４０％まで減少し、上記貯蔵タンク３９では、幾分か
のＲ３２とＲ１２５が含まれている。上記バルブＡは、
この時点で閉鎖され、図３に示されるように上記タンク
３９内の溶液をトラップする。上記貯蔵タンク３９内に
すべての圧縮機オイルが蓄積されてしまうので、上記シ
ステムは、所定時間バルブＡを開け続けないようにされ
ている。図３の混合物のＲ１３４ａの４０％は、北半球
では春期間中及び秋期間中に、約４０゜Ｆ（約４°Ｃ）
以上と言った外気温に対する、中程度の加熱要求に対し
て用いることができる。上記混合物を４０％に維持させ
るための加熱又は冷却は必要ではないことに留意された
い。

【００１６】本発明は、図４において示すようにして外
気温が４０゜Ｆ（約４°Ｃ）以下に低下する場合の、よ
り激しい加熱要求に対しても適応可能である。図４にお
いては、その構成は、上記バルブＢが閉鎖され、上記導
管１９からの戻り冷媒が直接上記導管４２へと投入型ヒ
ータ４０及びその導管４１を通して流され、それから上
記膨張バルブ２２へと流されることを除き、図２に示し
た構成と正確に同一とされている。このようにすること
で、上記タンク３９内の上記液体は、上記タンク及び上
記カラム４７内の蒸気と同様にその温度が上昇でき、そ
の混合成分がそれぞれの揮発成分についての程度に応じ
て気化されることになる。上記Ｒ４０７Ｃのある程度
は、温度が上昇するにつれて上記カラム４７内へと気化
されて流れてゆき、その蒸気がより冷まされると、パッ
キング上で凝縮されて、上記タンク３９内へとＲ４０７
Ｃを下向きに流させるようになっている。より揮発性の
成分（Ｒ３２及びＲ１２５）は、蒸気層に残留する傾向
にあるので上記セパレータ４８にまで到達して、上記ア
キュムレータ３４へと上記導管５２を通過してゆく。こ
のようにして新たな平衡に達し、この平衡においては、
Ｒ１３４ａのパーセントが全システムパラメータに応じ
て著しく低くされている。Ｒ１３４ａが５％よりも低い
組成は、図８に示されているように容易に到達すること
が可能となるのである。各成分のパーセントは、その調
節のための従来技術による方法を用いて容易に行うこと
が可能となる。

【００１７】平衡が達成されるまでには、加熱，充填
量，及びそれら以外のパラメータに応じて典型的には
１．５時間から２時間程度を要するが、この平衡が達成
されると蒸発プロセスを続ける必要はない。したがっ
て、図３に示すように上記バルブＡは閉ざされ、上記バ
ルブＢは開かれている。図３においては、その構成は上
記バルブＡが閉ざされて、上記バルブＢが再度開かれ、
上記システムから上記蒸発カラム４７及び上記セパレー
タ４８を排出させると同様に、効率良く上記貯蔵タンク
３９，ヒータ４０，導管４１，４２を排出させるように
なっている。ほとんどのＲ１３４ａが、上記タンク３９
内に貯蔵されているので上記混合物は、この時にＲ１３
４ａはシステム中において約５％以下となっている。こ
の混合物を維持させるために加熱又は冷却を維持する必
要がないことに留意されたい。

【００１８】図３に示す構成による定常状態における加
熱中は、上記蒸発機２１には霜が形成される。この場合
には、上記４方向バルブ２８は、反転されて図７と同一
の構成となるようにされ、除霜運転を数分間周期的に行
う。除霜は、従来通りに行う。上記システムの能力に著
しく負荷が加えられる場合には、運転効率が不充分とな
る。加熱に対する要求が一段落し（北半球における春期
である）、冷却の要求が生じると、上記システム内で機
能する冷媒混合物は、Ｒ１３４ａを４０％含有するよう
に調節が行われる。これは、図５及び／又は図６に示す
凝縮によって行われる。図５を参照すると、上記装置
は、上記バルブＡ及びバルブＣが閉じられ、上記バルブ
Ｂが開かれ、上記４方向バルブ２８が、上記圧縮機２６
と上記コイル２１とを連結して図６で反時計回りに流さ
せているのが示されている。上記コイル２１は、凝縮機
として機能し、上記コイル１６は、上記インドアセクシ
ョンの冷却のための蒸発機となっている。上記バルブＣ
が開かれているので、上記タンク３９の底部は、上記導
管５６，５７を介して上記アキュムレータ３４へと連結
されている。最も簡単な実施例では、上記タンク３９
は、上記アキュムレータ３４の物理的上側に配置されて
いて、上記タンク３９内の液体は、上記アキュムレータ
３４に自然に流れ込むようにされている。本発明の実施
例において、適切な流れが確保できなくなるような上記
アキュムレータ３４が上記タンク３９の下側に充分に配
設ができない場合には、図６のように加圧凝縮が用いら
れる。図６においては、バルブＢが閉ざされ、上記コイ
ル２１からの上記凝縮機の流出物は、上記タンク３９の
上記ヒータ４０へと流され、上記バルブＡ及びバルブＣ
は、閉じられたままとされる。これにより、上記タンク
３９内が加圧されることになる。この圧力が充分に高め
られると、上記装置は、再度上記バルブＢを開き、上記
バルブＣを開きつつ、上記バルブＡを閉ざして図５に示
すように変換され、上記タンク３９内の圧力が、上記導
管５６，５７及び上記アキュムレータ３４を通して上記
タンク３９の外側へと向かって上記液体へと圧力を加え
る。当然ながら、上記タンク３９の加圧は、所望により
重力による流れが生じるようにして上記タンク３９を上
記アキュムレータ３４に対して好適な高さとすることと
ともに用いられても良い。

【００１９】凝縮が終了すると、加熱又は冷却は、図３
又は図７に示されているようにしてそれぞれ、図８に示
されるようにＲ１３４ａが４０％の混合物となるように
行われる。図７は、図３に示されている構成と、上記４
方向バルブ２８が冷却用とされていることを除き同一で
ある。上記ヒータ４０，導管４１，４２，上記タンク３
９，上記カラム４７，上記セパレータ４８，導管５６，
５７は、本質的に上記システムのものと同一である。

【００２０】図１０を参照すると、本発明の第２の構成
であるステージ内圧縮においては、フラッシュタンク６
０を一部が膨張された凝縮機流体から蒸気を分離させる
ため用いており、この蒸気を導管６１の上部を通して変
更された圧縮機２６ａの補助インレット６２へと導入さ
せている。このインレットは、上記圧縮ストロークの中
間的な圧力点に設けられるように選択されている。図１
０においては、上記４方向バルブ２８は、上記ヒートポ
ンプシステムが冷却モードで運転されるように位置決め
されている。上記コイル２１は、上記凝縮機とされてお
り、その流体は、ソレノイド３１ａと言った好適な電気
的又は電子的な手段によって第２の４方向バルブ６５と
連動するように制御されている。この流れは、膨張バル
ブ６７を通して導管６６に沿って流れて、上記フラッシ
ュタンク６０のインレット６８へと通過される。その液
体は、その蒸気から分離され、第２の膨張バルブ６９及
び導管を上記４方向バルブ６５へと通され、その後導管
７１内を上記蒸発機へと送られてゆく。この蒸発機は、
上記インドアセクション１３にコイル１６を有してい
る。この冷媒は、その後上記４方向バルブ２８と上記導
管３６とを介しして導管３０に沿って上記アキュムレー
タ３４ａへと流れてゆく。これについては従来の実施例
通りに行うことができる。

【００２１】図９に示したプロセスでは、上記圧縮機２
６ａを出て上記導管２７に入る冷媒は、図９のポイント
Ｔにおいて最も高い圧力及びエンタルピーを有してい
る。上記冷媒が上記凝縮機を通して流れると、ポイント
Ｕに示すように熱、したがってエンタルピーを失い、高
圧の低エンタルピーとなって上記凝縮機から排出され
る。上記冷媒が上記第１の膨張バルブ６７を通るにつ
れ、その圧力は上記凝縮機温度及び上記蒸発機温度の間
にある所定温度における平衡の選択された中間的な平衡
圧となるまで低下され、上記液体が、ポイントＶで示す
ような２相とされる。上記選択した中間的な圧力は、効
率を最大化させ、能力を最大化させるといったトレード
オフとなる特性の間においてシステム設計的に最適させ
るように決定することができ、各場合に応じて設計又は
経験的に行うことができる。ある場合には、上記圧縮機
の圧縮ストロークに沿った実質的な中間の圧力とするこ
ともできる。その蒸気は、上記導管６１に沿って通過し
てゆき、上記した選択した中間圧力に上記圧縮機ストロ
ークが等しくなった圧力ポイントＷにおいて、上記圧縮
機２６ａの上記インレット６２へと流入する。このこと
によって、システム能力がより高められることとなる。
上記冷媒の残りはポイントＸで、上記フラッシュタンク
へと液体として送られ、上記膨張バルブ６９を通過して
ゆくにつれて再度２相とされ、ポイントＹにおける最低
圧力とされる。その後、この２相冷媒は、上記蒸発機
と、上記アキュムレータ３４ａを通過してそのストロー
クの最低圧力ポイントにおいて上記圧縮機へと導入され
るが、これがポイントＺで示されている。

【００２２】上記圧縮機２６ａは、ピストン型の圧縮機
であっても良く又、圧縮機ストロークに沿ったおおよそ
中間部にインレットを有するように変更が加えられたい
かなる別の好適な圧縮機であっても用いることができ
る。しかしながら、本発明を実施するに当たっての好適
な実施例としては、図１１に示すようなスクロール圧縮
機７５を用いるものである。この圧縮機は、示されてい
るようにインレット７７を有するケーシング７７と旋回
スクロール７８を通った断面として示されている。上記
ケーシング７６の内部は、チャンバ底部８１とチャンバ
頂部（図示せず）を有する圧力チャンバを形成してい
る。上記旋回スクロール７８が旋回すると、固定スクロ
ール８２の内側で冷媒蒸気は、上記固定スクロール８２
の各側部の一方のストロークが開始される２つの圧縮機
ストロークの開始点となるポイント８３，８４におい
て、上記２つのスクロールの間に封じ込められる。上記
圧縮機は、２つの可動スクロールを有していても良い。
本発明によれば、これらの圧縮経路は、それぞれ対応す
るステージ内圧縮蒸気インレットが、上記圧縮ストロー
クにおける選択したおおよその圧力ポイントとなるよう
に配置されている。図１１では、上記インレットは、そ
れぞれ４つのオリフィス８５，８６を有しており、ドリ
ルにより容易に形成できるようにされている。しかしな
がら、上記インレットは、最大特性を得るために適切な
寸法及び位置である限り、別の形状とすることもでき
る。図１１には、上記インレットは、上記固定スクロー
ル８２のそれぞれの端部に隣接して形成されているのが
示されているが、これらは、どのような横方向位置とさ
れていても良い。

【００２３】本発明は、上記圧縮機へと流入する冷媒の
質量流の大部分を、より高い中間圧力ポイントで取り入
れることにより、冷媒の質量流を増加させて所定の寸法
の蒸発機と凝縮機及びシステム内の所定量の冷媒量にお
いて冷凍又は暖房効果を向上させるものである。より強
力な駆動モータが必要となるのでこれを用いるための電
力入力量が増加するが、全効率及びＥＥＲが改善できる
ことになる。

【００２４】ステージ内圧縮は、フラッシュタンクを、
図９〜図１１に示すように用いるが、これは、図１０に
おいて示されている構成においても用いることができ
（又は上記バルブ２８，６５を反転させた加熱のための
構成においても用いることができ）、図１〜図８に示す
ように上記冷媒組成を調節するようないかなる調節も必
要とされない。他方では、本発明の双方の構成は、冷却
と同様に加熱におけるいかなる状況に対しても、ともに
好適に用いることができる。図１２は、本発明の特徴の
双方を備えたシステムが示されている。図１２のシステ
ムでは、上述したと同様にすべての部品が互いに他の特
徴を妨害することなく正確に同じく運転されている。

【００２５】本発明のステージ内圧縮構成はまた、フラ
ッシュタンクの代わりに熱交換機を用いても実施するこ
とができる。図１３においては、上記凝縮機流体は、上
記４方向バルブ６５によって、上記膨張バルブ６７へと
流される。しかしながら、上記流れは分割され、その流
れの一部が導管を通して上記熱交換機９２の発熱部分
（熱放出する）及び吸熱（熱を与える）部分９３へと送
られ、この吸熱部分では、上記膨張バルブ６７からの上
記膨張された凝縮機流体を受け取るようにされている。
図１４に示したフェーズダイアグラムを参照すると、上
記導管２７及び２９内の上記圧縮機２６ａの流体は、ポ
イントＴにおいて上記システム内のいかなる別のポイン
トよりも高い圧力及びエンタルピーを有している。上記
凝縮機を上記冷媒が通過するにつれ、熱を放出して上記
凝縮機からポイントＵで示される圧力及びエンタルピー
となって排出される。流れのうちのいくらかは、上記膨
張バルブ６７を通過し、ポイントＶ′となるまで圧力が
低減される。上記導管９０の液体は、上記熱交換機を通
過するにつれて上記蒸気に熱を放出しながら上記バルブ
６７から上記熱交換機へと流入する。上記蒸気のエンタ
ルピーが増加して、図１４のポイントＷに達し、上記導
管６１に沿って通過して上記インレット６２において上
記圧縮機２６ａへと導入される状態となる。熱を放出す
ることによって、上記熱交換機の部分９１内の液体は、
よりエンタルピーが低下して、ポイントＸ′に到達す
る。その後、上記膨張バルブ６９を通過してポイント
Ｙ′において２相となる。上記冷媒は、その後上記蒸発
機を通過して熱を吸収し、蒸発してポイントＺとなる。
この蒸気は、その後通常のインプットから上記導管３
０，３６，３３を通して上記圧縮機に流入する。

【００２６】図１３の熱交換機の実施例では、上記バル
ブ２８，６５をスイッチングさせることによって加熱を
行うようにされているとともに、本発明の別の構成が図
１０及び図１２に示した方法により組み込まれている。

【００２７】本発明は、冷媒としてＲ４０７Ｃを用いる
として説明を行ってきたが、本発明の第１の構成は、２
種以上の成分を有するゼオトロ−プ的な冷媒に対しても
同様に用いることができる。

【００２８】本発明は、インドアセクションとアウトド
アセクションとを用いて説明してきたが、上記プライマ
リコイルは、同様な関係にある別の構成とされていても
良い。本発明は、膨張バルブを用いて説明してきたが、
キャピラリチューブといった適切な別の膨張デバイスを
用いることもできる。本発明は、可変速度圧縮機に用い
て、能力及び／又は効率を加熱及び冷却運転において改
善することを可能とする。図１０，図１２，図１３の実
施例では、従来型の多重デバイス及びバイパスバルブを
示されている上記４方向バルブの前部に用いることもで
き、上記コイルに流入する直前に冷媒を膨張させるよう
にすることもできる。上述した構成のすべては、本発明
でも用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】すべてのバルブと、連結ラインと、運転前のモ
ードにある実施例のシステムの部品とを示した本発明の
第１の構成による２方向ヒートポンプの概略図である。

【図２】余剰の冷媒を有する上記システムの変更に用い
られる上記部品のみを示した運転中の図１のシステムの
概略図である。

【図３】図２に示した運転に続けて行われる定常状態の
加熱モードに用いられる上記部品のみを示した運転中の
図１のシステムの概略図である。

【図４】中程度の能力からシステムの最大加熱能力にま
で蒸発を変更させる際に用いられる上記部品のみを示し
た運転中の図１のシステム概略図である。

【図５】冷凍運転を行うために受動的な凝縮を行う際に
用いられる部品のみを示した運転中の図１のシステムの
概略図である。

【図６】冷凍運転を行うために加圧下での凝縮を行う際
に用いる上記部品のみを示した運転中の図１のシステム
の概略図である。

【図７】通常の冷却運転に用いる部品のみを示した図１
のシステムの概略図である。

【図８】熱エネルギーが加えられた場合の典型的なサイ
クル中の強制蒸発部分にある場合の冷媒成分のチャート
であり、通常の蒸発の後に上記システム内のＲ１３４ａ
を高い重量割合（４０％程度）で含有する状態から、強
制蒸発後の１０％未満含有する状態にまで上記冷媒混合
物が変化するのを示した図である。

【図９】本発明のステージ内圧縮である第２の構成の原
理を示したシステムサイクルの熱力学的図である。

【図１０】本発明の第２の構成による２方向ヒートポン
プシステムの一部断面図である。

【図１１】本発明の蒸気インレットを有するスクロール
圧縮機の一部断面図である。

【図１２】本発明の第１の構成と第２の構成を備えた２
方向ヒートポンプシステムの概略図である。

【図１３】本発明の第２の構成を備えた第２の実施例の
２方向ヒートポンプシステムである。

【図１４】本発明の第２の構成の第２の実施例の原理を
示した相図である。

【符号の説明】

１２…ヒートポンプシステム １３…インドアセクション １４…アウトドアセクション １６…プライマリコイル １７…膨張バルブ １８…逆止弁 ２１…プライマリコイル ２２…膨張バルブ ２３…逆止弁 ２６…圧縮機 ２８…４方向バルブ ２９…導管 ３０…導管 ３１…ソレノイド ３３…導管 ３４…アキュムレータ ３５，３６…導管 ３９…貯蔵タンク ４０…ヒータコイル ４１，４２…導管 ４４…ソレノイド ４７…カラム ４８…セパレータ ４９…ソレノイド ５０…バルブＡ ５１…バルブＡ ５２…導管 ５５…ソレノイド ５６，５７…導管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デヴィッド ジェイ．エムシー ファーリ ン アメリカ合衆国，コネチカット，エリント ン，ゲイル ドライヴ 17 (72)発明者 ライモンド エル．デ ブロイス アメリカ合衆国，コネチカット，トルラン ド，キャリエッジ ドライヴ 76 (72)発明者 トビアス エイチ．シーネル アメリカ合衆国，コネチカット，マンチェ スター，ワレック ファームズ ロード 179

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インドアプライマリコイルと、 アウトドアプライマリコイルと、 圧縮機と、 この圧縮機にインプットを行うための吸引アキュムレー
   タとを備え、 前記圧縮機の流体を前記アウトドアプライマリコイルに
   送り、かつ前記インドアプライマリコイルの流体を前記
   吸引アキュムレータに送って、前記アウトドアプライマ
   リコイルを凝縮機として作動させ、前記インドアプライ
   マリコイルを蒸発機として作動させることでヒートポン
   プシステムを冷凍モードで運転させ、又は前記圧縮機の
   前記流体を前記インドアプライマリコイルに送り、前記
   アウトドアプライマリコイルの流体を前記吸引アキュム
   レータに送って前記インドアプライマリコイルを凝縮機
   として作動させ、前記アウトドアプライマリコイルを蒸
   発機として作動させることで前記ヒートポンプをヒータ
   モードで運転させるため、前記圧縮機の前記流体を交互
   に流すための手段と、 前記コイルのうち凝縮機として作動しているコイルの１
   つから前記コイルのうち前記蒸発機として作動している
   コイルの１つへと流れる冷媒を選択的に膨張させるため
   の手段と、を有するヒートポンプシステムにおいて、 インレットに相セパレータが配設された蒸発カラムの設
   けられた貯蔵タンクと、 前記蒸発機として作動している前記コイルのうちの１つ
   から前記相セパレータへと前記流体の一部を選択的に分
   流させ、前記相セパレータの蒸気アウトレットを前記吸
   引アキュムレータのインレットへと連結する手段とを有
   していて、前記システム内の作動混合物からその低圧成
   分部分を分離させ、かつその低圧成分部分を前記貯蔵タ
   ンクに溜めておくことを特徴とするヒートポンプシステ
   ム。
2. 【請求項２】 前記システムは、前記貯蔵タンク内の前
   記流体を加熱するための選択的に運転可能な手段を有し
   ていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 【請求項３】 前記選択的に運転可能な手段は、前記タ
   ンク中に配設され、前記プライマリコイルのうち凝縮機
   として作動している１つと凝縮機流体を凝縮機流体を分
   流させるための膨張手段とを選択的に連結するヒータコ
   イルを有していることを特徴とする請求項２に記載のシ
   ステム。
4. 【請求項４】 前記システムは、さらに、前記貯蔵タン
   ク内の前記低圧成分をトラップしておくためのバルブ手
   段を有していることを特徴とする請求項１に記載のシス
   テム。
5. 【請求項５】 前記膨張手段は、第１の膨張デバイスの
   インレットが、凝縮機として作動している前記プライマ
   リコイルの１つのアウトレットに連結され、第２の膨張
   デバイスのアウトレットが、蒸発機として作動している
   前記プライマリコイルの１つのインレットに連結された
   対となった膨張デバイスを備え、 前記圧縮機は、その圧縮ストロークの選択した中間的な
   圧力ポイントにおいて補助インレットを有しており、さ
   らに、 前記対となった膨張デバイスの前記第１の膨張デバイス
   のアウトレットと前記対となった膨張デバイスの前記第
   ２の膨張デバイスのインレットとの間に分離手段が配設
   されており、この分離手段は、前記中間的な圧力におけ
   る温度平衡下で蒸気を分離させており、この温度は、蒸
   発機として作動している前記プライマリコイルのうちの
   １つの流体温度と凝縮機として作動している前記プライ
   マリコイルのうちの１つの流体温度の間の温度とされて
   いて、前記分離手段は、この分離された蒸気を前記補助
   インレットへと送っていることを特徴とする請求項１に
   記載のシステム。
6. 【請求項６】 インドアプライマリコイルと、 アウトドアプライマリコイルと、 圧縮機と、 この圧縮機にインプットを行うための吸引アキュムレー
   タ、を備え、 前記圧縮機の流体を前記アウトドアプライマリコイルに
   送り、かつ前記インドアプライマリコイルの流体を前記
   吸引アキュムレータに送って、前記アウトドアプライマ
   リコイルを凝縮機として作動させ、前記インドアプライ
   マリコイルを蒸発機として作動させることでヒートポン
   プシステムを冷凍モードで運転させ、又は前記圧縮機の
   前記流体を前記インドアプライマリコイルに送り、前記
   アウトドアプライマリコイルの流体を前記吸引アキュム
   レータに送って前記インドアプライマリコイルを凝縮機
   として作動させ、前記アウトドアプライマリコイルを蒸
   発機として作動させることで前記ヒートポンプをヒータ
   モードで運転させるため、前記圧縮機の前記流体を交互
   に流すための手段と、 凝縮機として作動している前記プライマリコイルのうち
   の１つから蒸発機として作動している前記プライマリコ
   イルのうちの１つへと流れる冷媒を選択的に膨張させる
   ための手段とを有したヒートポンプにおいて、 前記膨張手段は、第１の膨張デバイスのインレットが、
   凝縮機として作動している前記プライマリコイルの１つ
   のアウトレットに連結され、第２の膨張デバイスのアウ
   トレットが、前記蒸発機として作動している前記プライ
   マリコイルの１つのインレットに連結された対となった
   膨張デバイスを備え、 前記圧縮機は、その圧縮ストロークの選択した中間的な
   圧力ポイントにおいて補助インレットを有しており、さ
   らに、 前記対となった膨張デバイスの前記第１の膨張デバイス
   のアウトレットと前記対となった膨張デバイスの前記第
   ２の膨張デバイスのインレットとの間に配設された手段
   を有し、この手段は、前記中間的な圧力における温度平
   衡下で蒸気を分離させており、この温度は、蒸発機とし
   て作動している前記プライマリコイルのうちの１つの流
   体温度と凝縮機として作動している前記プライマリコイ
   ルのうちの１つの流体温度の間の温度とされていて、前
   記手段は、分離された蒸気を前記補助インレットへと送
   っていることを特徴とするシステム。
7. 【請求項７】 前記分離手段は、フラッシュタンクを備
   えており、このフラッシュタンクのインレットは、前記
   対となった膨張デバイスのうちの前記第１の膨張デバイ
   スのアウトレットに連結され、前記フラッシュタンクの
   液体アウトレットは、前記対となった膨張デバイスのう
   ちの前記第２の膨張デバイスのインレットに連結され、
   前記フラッシュタンクの蒸気アウトレットは、前記圧縮
   機の前記補助インレットに連結されていることを特徴と
   する請求項６に記載のシステム。
8. 【請求項８】 前記分離手段は、熱交換機を備えてお
   り、この熱交換機のコイルの１つのインレットは、対と
   なった前記膨張デバイスのうちの前記第１の膨張デバイ
   スのアウトレットに連結され、この第１のコイルのアウ
   トレットは、前記圧縮機の前記補助インレットに連結さ
   れ、前記熱交換機の別のコイルのインレットは、前記膨
   張デバイスのうちの前記第１の膨張デバイスのインレッ
   トと、凝縮機として動作し前記流体の一部を分流させる
   ための前記プライマリコイルのうちの１つのアウトレッ
   トとの間に連結されていて、前記別のコイルのアウトレ
   ットは、対となった前記膨張デバイスのうちの前記第２
   の膨張デバイスのインレットに連結されていることを特
   徴とする請求項６に記載のシステム。
9. 【請求項９】 低温環境においてヒートポンプシステム
   の加熱能力を向上させるための方法であって、 （ａ）前記システムの吸引アキュムレータに貯蔵タンク
   を連結するステップと、 （ｂ）多成分ゼオトロープ冷媒混合物であって、前記混
   合物の成分が他の成分よりも高い沸点を有する成分を含
   有し、かつ前記ヒートポンプが設計される最も高い周囲
   温度での運転に必要な量の実質的に２倍の量の前記混合
   物で前記システム及び前記貯蔵タンクを充填するステッ
   プと、を有することを特徴とする方法。
10. 【請求項１０】 前記ステップ（ｂ）の後にさらに、 （ｃ）前記タンク中の前記冷媒を蒸発させ、前記システ
    ム内で作動している前記混合物の前記低圧成分の重量パ
    ーセントを減少させるステップを有することを特徴とす
    る請求項９に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記ステップ（ｃ）の後にさらに、前
    記タンク中の前記低圧成分を分離するステップを有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記ステップ（ｃ）は、前記タンク内
    の前記流体を加熱するステップを有していることを特徴
    とする請求項１０に記載の方法。
13. 【請求項１３】 ヒートポンプシステムの能力及び効率
    を改善するための方法であって、 前記ヒートポンプシステム内に圧縮機ストロークにおけ
    る所定の中間圧力位置に設けられた補助インレットを有
    する圧縮機を設けるステップと、 凝縮機内の流体を前記所定の中間圧力まで膨張させるス
    テップと、 前記流体から蒸発した蒸気をその液体から分離し、その
    蒸気を前記補助インレットへと送るステップと、 前記膨張させた流体のうちの液体を膨張させて、前記シ
    ステムの蒸発機へと送るステップとを有することを特徴
    とする方法。
14. 【請求項１４】 ヒートポンプシステムの能力及び効率
    を向上させ、低温環境における加熱能力を向上させるた
    めの方法であって、 前記ヒートポンプシステム内に圧縮機ストロークにおけ
    る所定の中間圧力位置に設けられた補助インレットを有
    する圧縮機を設けるステップと、 前記システムの吸引アキュムレータと貯蔵タンクとを連
    結させるステップと、 前記システム及び前記貯蔵タンクに、低圧成分が、その
    残りの成分に対してゼオトロープとなる低圧成分を含有
    する多成分冷媒混合物を充填するステップと、 前記タンク内の前記冷媒を蒸発させて、前記システムに
    おいて作動する前記混合物の前記低圧成分の実質的な重
    量パーセントを低減させるステップと、 選択された前記中間的な圧力へと凝縮機流体を膨張させ
    るステップと、 この膨張された流体蒸気をその液体から分離し、その蒸
    気を前記補助インレットへと送るステップと、 前記膨張された流体のうちの前記液体を膨張させて、こ
    れを前記システムの蒸発機に送るステップと、を有する
    ことを特徴とする方法。