JPWO2002077546A1 - ヒートポンプ及びヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

ヒートポンプ２０の蒸発器２５には、冷媒として水が貯められている。圧縮機２２の駆動により、蒸発器２５の水面からの蒸発が促進される。また、注入路２１ａの空気混じりの水が、弁２４で膨張、減圧された後、注入路２１ｂを経て、蒸発器２５の水中に注入される。この注入水に含まれる空気が、蒸発器２５の水中を気泡となって上昇する。この上昇過程で、気泡に周りの水分子が蒸発する。すなわち、蒸発器２５の水面からだけでなく、水中でも蒸発を起すことができる。これによって、蒸発量を増やすことができ、ヒートポンプ２０の出力を向上させることができる。

Description

技術分野
この発明は、冷媒を蒸発させた後圧縮して熱を汲み上げる圧縮式のヒートポンプ、並びに当該ヒートポンプを用いて給湯、暖房、冷房、冷水供給等を行なうシステムに関する。
背景技術
一般に圧縮式のヒートポンプは、膨張弁と蒸発器と圧縮機と凝縮器とを備えている。これら機器の間を冷媒が循環される。冷媒は、膨張弁で膨張され、蒸発器で蒸発し、圧縮機で圧縮され、凝縮器で凝縮する。冷媒成分にはフロン等の常温常圧で気相の凝縮性流体を用いるのが一般的であったが、近年では常温常圧で液相の水を冷媒とするヒートポンプも開発されている（日本国の財団法人ヒートポンプ・蓄熱センターによる２０００年４月刊行の「セミナー自然作動媒体の最新動向」の第４章等）。かかる水冷媒ヒートポンプでは、蒸発圧が低いため圧縮機を大型にしなければ所望の出力を得ることができないという問題があった。
本発明は、上記水冷媒ヒートポンプの問題点を解決することから出発し、水冷媒に止まらずフロン冷媒をも含む圧縮式のヒートポンプ全般について、出力向上を実現したものである。
発明の開示
本発明の第１態様は、冷媒を蒸発させた後圧縮して熱を汲み上げるヒートポンプに係り、蒸発器と注入機構と圧縮手段とを備えている。上記蒸発器では、上記冷媒が蒸発を起す。上記注入機構は、上記蒸発器に接続され、上記蒸発する前の液相冷媒に非凝縮性気体を未飽和状態で注入する。ここで、「非凝縮性気体」とは、空気等のヒートポンプの作動領域で気体のまま相変化しない物質を言い、「未飽和状態」とは、上記非凝縮性気体が、気相の冷媒を飽和未満で含む状態又は全く含まない状態を言う。上記圧縮手段は、上記蒸発した気相の冷媒と上記非凝縮性気体との混合気体を上記蒸発器から吸い込み圧縮して吐出する。上記注入機構によって蒸発器内に注入された未飽和気体は、液相冷媒内を気泡となって移動する。この移動の過程で、冷媒の分子が気泡内へ蒸発する。すなわち、蒸発器の液相冷媒は、当該液相冷媒の自由液面からだけでなく気泡へも蒸発する。これによって、圧縮手段の吸込み圧が上昇し、吸込み量が増加し、ひいては冷媒の蒸発量を増やすことができ、その結果、ヒートポンプの出力を向上させることができる。
本発明の第２態様では、上記第１態様のヒートポンプにおいて、上記注入機構が、上記液相冷媒と上記非凝縮性気体との混合流体を上記蒸発器の液相冷媒に注入する共通注入路と、この共通注入路に設けられ、上記混合流体を膨張させる共通膨張手段とを含んでいることを特徴とする。注入機構が、非凝縮性気体だけでなく液相冷媒も一緒に蒸発器に注入するので、配管等の構成を簡素化できる。
本発明の第３態様では、上記第２態様のヒートポンプにおいて、上記共通注入路が、上記蒸発器の底部に連なっていることを特徴とする。これによって、上記混合流体ひいては上記非凝縮性気体を上記蒸発器の液相冷媒に確実に注入することができる。
本発明の第４態様では、上記第２態様のヒートポンプにおいて、上記圧縮手段から吐出された混合気体を取込み、そのうち気相冷媒を凝縮させる凝縮器を備え、この凝縮器から上記共通注入路が延びていることを特徴とする。これによって、共通膨張手段と蒸発器と圧縮手段と凝縮器とを順次環状に接続してなる閉サイクルが構成され、この閉サイクルに沿って上記冷媒と非凝縮性気体を循環させることができる。
本発明の第５態様では、上記第２態様のヒートポンプにおいて、上記非凝縮性気体が空気であり、上記共通注入路における上記凝縮器と上記共通膨張手段との間の通路部分に、大気へ開放された開放ポートが設けられていることを特徴とする。これによって、圧縮手段の吐出圧を大気圧にすることができる。
本発明の第６態様では、上記第２態様のヒートポンプにおいて、上記共通膨張手段が膨張弁であることを特徴とする。これにより、安価なシステムを提供できる。
本発明の第７態様では、上記第２態様のヒートポンプにおいて、上記共通膨張手段が、上記混合流体の膨張に伴い力学的仕事を発生させる膨張機であり、この膨張機と上記圧縮手段とが伝達機構により連結され、この伝達機構が、上記仕事を上記圧縮手段に伝達することを特徴とする。これによって、圧縮手段の駆動力を軽減できる。
本発明の第８態様では、上記第１態様のヒートポンプにおいて、上記液相冷媒を上記蒸発器に注入する冷媒注入路と、この冷媒注入路に設けられ、上記液相冷媒を膨張させる冷媒膨張手段とを上記注入機構とは別途に備え、上記注入機構が、上記非凝縮性気体を上記蒸発器の液相冷媒に注入する気体注入路と、この気体注入路に設けられ、上記非凝縮性気体を膨張させる気体膨張手段とを含んでいることを特徴とする。これによって、蒸発器への液相冷媒と非凝縮性気体の送り量をそれぞれ別々に調節することができる。ひいては、蒸発器から液相冷媒が溢れないように液位を簡単に調節でき、圧縮手段が液相冷媒の吸い込みにより損傷するのを防止することができる。
本発明の第９態様では、上記第８態様のヒートポンプにおいて、上記気体注入路が、上記蒸発器の底部に連なっていることを特徴とする。これによって、上記非凝縮性気体を上記蒸発器の液相冷媒に確実に注入することができる。
本発明の第１０態様では、上記第８態様のヒートポンプにおいて、上記非凝縮性気体が空気であり、上記気体注入路における上記気体膨張手段より上流側が大気に開放されていることを特徴とする。これによって、非凝縮性気体を簡単に気体注入路に取込むことができる、。
本発明の第１１態様では、上記第８態様のヒートポンプにおいて、上記気体膨張手段が、膨張弁であることを特徴とする。これにより、安価なシステムを提供できる。
本発明の第１２態様では、上記第８態様のヒートポンプにおいて、上記気体膨張手段が、上記非凝縮性気体の膨張に伴い力学的仕事を発生させる膨張機であり、この膨張機と上記圧縮手段とが伝達機構により連結され、この伝達機構が、上記仕事を上記圧縮手段に伝達することを特徴とする。これによって、圧縮手段の駆動力を軽減できる。
本発明の第１３態様では、上記第８態様のヒートポンプが、上記圧縮手段から吐出された混合気体を取込み、そのうち気相冷媒を凝縮させる凝縮器と、この凝縮器で凝縮後の液相冷媒と上記非凝縮性気体とを分離する気液分離手段を更に備え、上記分離後の液相冷媒が上記冷媒注入路に取り込まれ、上記分離後の非凝縮性気体が上記気体注入路に取り込まれることを特徴とする。これによって、冷媒と非凝縮性気体とを循環させて閉サイクルを構成することができる。
本発明の第１４態様では、上記第１３態様のヒートポンプにおいて、上記凝縮器が、タンク状をなし、その内部において上記非凝縮性気体と上記液相冷媒とが上下に分離されることにより上記気液分離手段を兼ねていることを特徴とする。これによって、構成を簡素化できる。
本発明の第１５態様では、上記第１態様のヒートポンプにおいて、上記圧縮手段から吐出された混合気体を取込み、そのうち気相冷媒を凝縮させる凝縮器を備え、上記圧縮手段の吐出圧ひいては上記凝縮器の内圧が、大気圧より大きく設定されていることを特徴とする。これによって、凝縮器の出力温度を高くすることができる。
本発明の第１６態様では、上記第１態様のヒートポンプにおいて、上記非凝縮性気体が空気であることを特徴とする。これによって、簡単に調達でき、排出も容易であり、安価なシステムを構築できる。
本発明の第１７態様では、上記第１態様のヒートポンプにおいて、上記冷媒が、常温常圧で液相の凝縮性流体であることを特徴とする。このような冷媒に本発明を適用することによって、圧縮手段を大型化しなくても所望の出力を得ることができる。
本発明の第１８態様では、上記第１７態様のヒートポンプにおいて、上記常温常圧で液相の凝縮性流体が、水であることを特徴とする。これによって、簡単に調達でき、排出も容易であり、安価なシステムを構築できる。
本発明の第１９〜第２３態様は、上記のヒートポンプを用いて給湯、暖房、冷房、冷水供給等を行なうヒートポンプシステムに係る。
本発明の第１９態様のヒートポンプシステムでは、上記圧縮手段から吐出された混合気体を取込み、そのうち気相冷媒を凝縮させる凝縮器を備えた上記第１〜３、６〜１２、１６〜１８の何れかの態様のヒートポンプと、このヒートポンプの凝縮器に熱的に接続され、上記凝縮器から熱を受け取る受熱装置とを備えていることを特徴とする。
本発明の第２０態様のヒートポンプシステムでは、上記第４、５、１３〜１５の何れかの態様のヒートポンプと、このヒートポンプの凝縮器に熱的に接続され、上記凝縮器から熱を受け取る受熱装置とを備えていることを特徴とする。
本発明の第２１態様のヒートポンプシステムでは、上記第１〜１８の何れかの態様のヒートポンプと、このヒートポンプの蒸発器に熱的に接続され、上記蒸発器に熱を与える授熱装置とを備えていることを特徴とする。
給湯用のヒートポンプシステムにおいては、上記受熱装置は、上記受け取った熱で給湯用水を加温して貯える貯湯タンクであり、上記授熱装置は、例えば空気熱交換器、燃料電池、太陽熱集熱器等である。
暖房用のヒートポンプシステムにおいては、上記受熱装置は、上記受け取った熱で暖房を行なう暖房器であり、上記授熱装置は、例えば空気熱交換器（室外機）、燃料電池、太陽熱集熱器等である。
冷房用のヒートポンプシステムにおいては、上記受熱装置は、例えば空気熱交換器（室外機）であり、上記授熱装置は、室内から熱を奪って冷房する冷房器である。
本発明の第２２態様のヒートポンプシステムは、冷媒が水である上記第１〜１６の何れかの態様のヒートポンプと、このヒートポンプの蒸発器から延び、蒸発前の水の一部を取り出す冷水供給路と、上記蒸発器に水を補充する水補充路とを備えた冷水供給用ヒートポンプシステムを特徴とする。
本発明の第２３態様のヒートポンプシステムは、冷媒が常温常圧で液相の凝縮性流体である上記第１〜１６の何れかの態様のヒートポンプと、常温常圧で気相の凝縮性流体を冷媒として熱を汲み上げ、汲み上げた熱を上記ヒートポンプの蒸発器に与えるサブヒートポンプ（上記第２１態様の授熱装置に相当）とを備えたヒートポンプシステムを特徴とする。これによって、蒸発器を確実に加温できる。
なお、この明細書の各「路」は、管等の路形成手段によって構成されている。発明を実施するための最良の形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムＳ１を示したものである。システムＳ１は、水冷媒ヒートポンプ２０と、貯湯タンク１０（受熱装置）と、フロンヒートポンプ（授熱装置、サブヒートポンプ）３０とを備えている。貯湯タンク１０の下端部には、給水路１１が連なっている。この給水路１１から供給された水で貯湯タンク１０内が満たされている。貯湯タンク１０の上端部から給湯路１２が延びている。
水冷媒ヒートポンプ２０は、水（常温常圧で液相の凝縮性流体）を冷媒として通す冷媒循環路２１を有している。この冷媒循環路２１に、圧縮機（真空ポンプ）２２、凝縮器２３、膨張弁（共通膨張手段）２４、蒸発器２５が順次設けられている。すなわち、凝縮器２３と膨張弁２４とが、冷媒循環路２１の通路部分（上流側共通注入路）２１ａで接続され、膨張弁２４と蒸発器２５とが、冷媒循環路２１の通路部分（下流側共通注入路）２１ｂで接続され、蒸発器２５と圧縮機２２とが、冷媒循環路２１の通路部分（吸込路）２１ｃで接続され、圧縮機２２と凝縮器２３とが、冷媒循環路２１の通路部分（吐出路）２１ｄで接続されている。
凝縮器２３は、コイル状の２重管２３ａ，２３ｂを有する対向流型の熱交換器で構成されている。この凝縮器２３が、上記貯湯タンク１０に熱的（凝縮熱を伝達可能）に接続されている。すなわち、凝縮器２３の内側伝熱管２３ｂの一端が、流通路１３を介して貯湯タンク１０の下部（底部）に連なり、他端が、流通路１４を介して貯湯タンク１０の上部に連なっている。流通路１３に送水ポンプ１５が設けられている。この送水ポンプ１５によって貯湯タンク１０下部の給湯用の水が、流通路１３を介して凝縮器２３の内側伝熱管２３ｂに通されて加温され、その後流通路１４を介して貯湯タンク１０上部に送られるようになっている。
凝縮器２３の外側伝熱管２３ａの一端から上流側共通注入路２１ａが延びている。路２１ａの中途部には大気開放路２１ｅが設けられている。大気開放路２１ｅの端部は、大気に開放されたポートになっている。これによって、路２１ａひいては凝縮器２３の内圧、更には圧縮機２２の吐出圧が、ほぼ大気圧になっている。また、外界の空気が大気開放路２１ｅに取込まれ、上流側共通注入路２１ａに混入可能になっている。なお、循環路２１の冷媒用水には空気がはじめから混入されている。大気開放路２１ｅは、この混入空気を外界の比較的乾いた空気と入れ替える役目を果す。
上流側共通注入路２１ａは、膨張弁２４の一次ポートに連なっている。膨張弁２４の二次ポートから下流側共通注入路２１ｂが蒸発器２５に向けて延びている。
蒸発器２５は、タンク状をなし、下半部に冷媒用の液相の水が貯えられている。この蒸発器２５の下端部（底部）に、上記共通注入路２１ｂが連なっている。これにより、注入路２１ｂが、蒸発器２５の貯留水の内部に臨んでいる。
共通注入路２１ａ，２１ｂと膨張弁２４によって、「注入機構」が構成されている。
蒸発器２５には、加温用の熱源として上記フロン冷媒ヒートポンプ３０が熱的に接続されている。すなわち、フロン冷媒ヒートポンプ３０は、フロン（常温常圧で気相の凝縮性流体）を冷媒とする冷媒循環路３１を有している。この冷媒循環路３１に、圧縮機３２、伝熱コイルからなる凝縮器３３、膨張弁３４、蒸発器３５が順次設けられている。フロンは、蒸発器３５で蒸発して外気から採熱し、凝縮器３３で凝縮して放熱するようになっている。凝縮器３３が、水冷媒ヒートポンプ２０の蒸発器２５の下半部に収容され、蒸発器２５の貯留水に浸かっている。
蒸発器２５の上半部は、空気（非凝縮性気体）と気相の水（水蒸気）からなる混合気体で満たされている。
蒸発器２５の上端部（上部）から吸込路２１ｃが延び、圧縮機２２の吸込ポートに連なっている。
圧縮機２２の吐出ポートから吐出路２１ｄが延び、凝縮器２３の外側伝熱管２３ａに連なっている。
作用を説明する。
圧縮機２２を駆動すると、蒸発器２５の水面（自由液面）から水分子の蒸発が促進される。水は蒸発時に周りから蒸発熱を奪う。また、上流側共通注入路２１ａの液相の水と混入空気が、膨張弁２４に導かれて膨張、減圧され、負圧になる。これによって、混入空気を確実に未飽和状態にすることができる。この未飽和空気を含む水が、下流側共通注入路２１ｂを通って蒸発器２５の下部に注入される。
この注入水に含まれる未飽和空気が、蒸発器２５の水中を多数の気泡となって上昇する。この上昇途中の気泡内に周りの水分子が蒸発する。すなわち、蒸発器２５の自由液面からだけでなく水中においても水分子の蒸発が起きる。これによって、蒸発量を増やすことができ、周りから蒸発熱として奪う熱量を増大させることができ、ひいては、水冷媒ヒートポンプ２０の出力を向上させることができる。
しかも、蒸発器２５の液相の水は、フロン冷媒ヒートポンプ３０の凝縮器３３から凝縮熱を受け取り、例えば約６０℃まで加温される。これによって、水の蒸気圧を高めて蒸発量を一層増やすことができ、出力を一層向上できる。
上記の気泡は、やがて水面から蒸発器２５の上半部に出る。これによって、空気分子と多量の水分子（水蒸気）とからなる混合気体が、吸込路２１ｃを経て圧縮機２２に吸い込まれる。この圧縮機２２の吸込圧は、水分子のみを吸い込む場合より空気分子の分だけ上昇する。これによって、圧縮比を小さくすることができ、圧縮機２２の小型化を図ることができる。
圧縮機２２に吸い込まれた混合気体は、ほぼ大気圧で吐出路２１ｄに吐出され、凝縮器２３の外側伝熱管２３ａへ送られる。この伝熱管２３ａを通過する過程で多量の水蒸気が凝縮し、多量の凝縮熱が発生する。
一方、送液ポンプ１５の駆動により、貯湯タンク１０底部の給湯用の水が、流通路１３に取込まれる。そして、凝縮器２３の内側伝熱管２３ｂを通過する過程で上記多量の凝縮熱を受け取る。これによって、給湯用水を十分に高温の熱湯にして流通路１４を介して貯湯タンク１０の上部に送ることができる。この熱湯を給湯路１２によって給湯に供することができる。
水の潜熱は極めて大きいので、高い成績係数を得ることができる。
システムＳ１のヒートポンプ２０では、注入機構が水と空気を一緒に混合状態で蒸発器２５へ注入するようになっているので、配管構成を簡素化でき、コストダウンを図ることができる。
注入路２１ａ、凝縮器２３、吐出路２１ｄは、大気開放路２１ｅによってほぼ大気圧になっているので、耐圧構造にする必要がない。
次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において、先行して説明した実施形態と同様の構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を省略する。
図２は、本発明の第２実施形態に係る暖房用ヒートポンプシステムＳ２を示したものである。このシステムＳ２では、蒸発器２５に、フロン冷媒ヒートポンプ３０に代えて空気熱交換器からなる室外機５０（授熱装置）が接続され、凝縮器２３に、貯湯タンク１０に代えて空気熱交換器からなる室内暖房器４０（受熱装置）が接続されている。
詳述すると、蒸発器２５の下端部（底部）から流通路５１が室外機５０へ延びている。室外機５０は、受熱路５０ａと、この受熱路５０ａに風を送って受熱を促すファン５０ｂとを備え、屋外に配されている。受熱路５０ａの一端に上記流通路５１が連なり、他端から流通路５２が延びている。この流通路５２に送水ポンプ５３が設けられている。流通路５２は、蒸発器２５の上側部に連なっている。
蒸発器２５内の液相の水は、蒸発熱を奪われて冷たくなっている。この冷水が、送水ポンプ５３の駆動により流通路５１から室外機５０の受熱路５０ａに導かれ、外気から熱を受け取り加温される。加温後の水は、流通路５２を介して蒸発器２５に戻される。これによって、外気の熱を用いて蒸発を促進させることができる。
なお、冷媒循環路２１の水の流量は微量であり、送水ポンプ５１による路５０ａ，５１，５２の流量は、それよりはるかに大きい（例えば数百倍）。そのため、蒸発器２５内の水は、上から下へ流れることになる。
室内の暖房器４０は、ブラインなどの熱媒を通す放熱路４０ａと、この放熱路４０ａに風を送って放熱を促すファン４０ｂとを備え、室内に設置されている。放熱路４０ａの一端に凝縮器２３への流通路１３が連なり、他端に、凝縮器２３からの流通路１４が連なっている。
流通路１３のポンプ１５を駆動すると、上記熱媒が、流通路１３、凝縮器２３の内側伝熱管２３ｂ、流通路１４、放熱路４０ａの順に循環される。この熱媒が、伝熱管２３ｂにおいて凝縮熱を受け取り、放熱路４０ａにおいて室内に放熱する。これによって、室内を暖房することができる。
図３は、本発明の第３実施形態に係る冷房用ヒートポンプシステムＳ３を示したものである。システムＳ３は、第２実施形態のシステムＳ２の室内暖房器４０に代えて空気熱交換器からなる室外機４０Ｘ（受熱装置）を屋外に設置し、システムＳ２の室外機５０に代えて空気熱交換器からなる室内冷房器５０Ｘ（授熱装置）を室内に設置したものである。凝縮器２３の凝縮熱は、伝熱管２３ｂと放熱路４０ａとの間を循環する熱媒を介して室外機４０Ｘから屋外に放出される。
冷房器５０Ｘには、蒸発器２５の冷水が流通路５１を通して導かれる。この冷水が室内から熱を奪うことによって室内の冷房を行なうことができる。一方、熱を奪って温度が高まった水は、流通路５２を経て蒸発器２５に戻される。これにより、上記室内から奪った熱を蒸発器２５での蒸発熱として用いることができる。システムＳ３は、ヒートポンプ２０の冷媒用水をそのまま冷房の熱媒として使っているので、熱効率を高くすることができる。
図４は、本発明の第４実施形態に係る冷水供給用ヒートポンプシステムＳ４を示したものである。システムＳ４は、冷房器５０Ｘが備えられていない点でシステムＳ３と異なっている。その代わりに流通路（冷水供給路）５１が冷水の利用場所（図示せず）まで延びている。これによって、蒸発器２５内の冷水を要冷却物の冷却や飲用等の種々の利用に供することができる。ヒートポンプ２０の冷媒用水をそのまま利用の対象にしているので、熱効率の高い冷水供給システムを構築することができる。
流通路（水補充路）５２には、給水減圧弁５４（給水膨張手段）が設けられている。水補充路５２の上流端は、冷媒用水の供給源（図示せず）に連なっている。この供給源の水が、補充路５２を通り、減圧弁５４で膨張、減圧にされた後、蒸発器２５に送られる。これによって、冷水供給路５１で取り出された分の水を蒸発器２５に補充することができる。
図５は、本発明の第５実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムＳ５を示したものである。このシステムＳ５では、共通注入路２１ａ，２１ｂに設ける共通膨張手段として、給湯用ヒートポンプシステムＳ１の膨張弁２４に代えてタービン（容積式膨張機）２６が用いられている。タービン２６の翼と圧縮機２２の翼とは、同一軸上に配され、回転軸２７（伝達機構）によって連結されている。
システムＳ５によれば、共通注入路２１ａの液相の水と空気からなる混合流体がタービン２６によって断熱膨張され、混合流体のエンタルピーが減少する。この時、特に空気の断熱膨張によるエンタルピー減少分が力学的な仕事（回転トルク）に変換される。この仕事が、回転軸２７を介して圧縮機２２に伝えられる。この仕事の分だけ、圧縮機２２に必要な駆動力が小さくて済み、効率を高めることができる。
図６は、本発明の第６実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムＳ６を示したものである。このシステムＳ６では、容積式膨張機としてルーツ式膨張機２６Ｘが用いられている。この膨張機２６Ｘと圧縮機２２とが、プーリ２７ａ，２７ｂとベルト２７ｃからなる伝達機構２７Ｘによって接続されている。すなわち、圧縮機２２の翼２２ａと駆動モータ２２ｂとを繋ぐ軸には、プーリ２７ａが設けられている。一方、膨張機２６Ｘの翼の軸には、プーリ２７ｂが設けられている。これらプーリ２７ａ，２７ｂどうしがベルト２７ｃで連結されている。これによって、膨張機２６Ｘで発生した力学的仕事を、プーリ２７ｂ、ベルト２７ｃ、及びプーリ２７ａを介して圧縮機２２に伝えることができ、駆動モータ２２ｂの駆動力を小さくすることができる。
システムＳ６の蒸発器２５には、加温用の熱源（授熱装置）として燃料電池３０Ｘが熱的に接続されている。すなわち、流通路５１，５２の間には、熱交換器５５が設けられている。この熱交換器５５と燃料電池３０Ｘとが、熱交換路３０ａによって熱的に接続されている。
流通路５１の送水ポンプ５３の駆動により、蒸発器２５底部の冷媒用水が、熱交換器５５に導かれ、熱交換路３０ａから燃料電池３０Ｘの廃熱を受け取る。これによって、約６０℃に加温された後、蒸発器２５の上部に送られる。これによって、水の蒸気圧を高めることができ、蒸発を促進することができる。
システムＳ６の凝縮器２３Ｘは、上下に延びるタンク状をなし、内部に水が一杯に充填されている。この凝縮器２３Ｘの下端部から流通路１４が延び、貯湯槽１０の上側部に連なっている。また、貯湯槽１０の下部から流通路１３が延び、凝縮器２３Ｘの上端部に連なっている。流通路１３，１４の流量は、冷媒循環路２１の微量な流量よりはるかに大きい（例えば数百倍）。したがって、凝縮器２３Ｘ内の水は上から下へ流れることになる。
凝縮器２３Ｘの下端部（底部）に吐出路２１ｄが連なっている。圧縮機２２から吐出された空気分子と水分子からなる混合気体は、吐出路２１ｄを経て凝縮器２３Ｘの底部に注入される。そして、凝縮器２３Ｘ内の水中を気泡となって上昇する。この上昇途中の気泡内の水分子が凝縮し、周りの水（液相）に溶け込む。この時の凝縮熱で水が加温される。この温水が流通路１４を経て貯湯槽１０に送られ、給湯に供される。凝縮器２３Ｘの冷媒用水を、熱交換器を介することなく給湯用水として貯湯槽１０に供給しているので、熱効率を高めることができる。
凝縮器２３Ｘの上端部から上流側共通注入路２１ａが膨張機２６Ｘへ向けて延びている。この路２１ａに、凝縮器２３Ｘ上部の液相の水と気泡（空気分子及び未凝縮の水分子）との混合流体が取込まれ、膨張機２６Ｘへ導かれることになる。
図７は、本発明の第７実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムＳ７を示したものである。このシステムＳ７では、水と空気を凝縮器２３Ｘから別々の経路で蒸発器２５へ送る２経路注入系が構成されている。この点で、水と空気を共通の経路２１ａ，２１ｂで送る単経路注入系のシステムＳ１と異なっている。
詳述すると、システムＳ７の凝縮器２３Ｘは、上記システムＳ６と同様にタンク状をなしている。この凝縮器２３Ｘに貯められた水に、吐出路２１ｄからの混合気体が注入されて気泡となって上昇し、気泡中の水蒸気が凝縮する。この点は、上記システムＳ６と同様である。一方、システムＳ７においては、凝縮器２３Ｘの中程までしか水が貯められていない。この水面より上側の凝縮器２３Ｘ内には、空気分子と未凝縮の水分子との混合気体（湿り空気）が満たされている。これによって、凝縮器２３Ｘは、気体と液体を上下に分離する気液分離器（気液分離手段）としての機能を兼ねている。
上記水面より下の凝縮器２３Ｘ中途部から上流側冷媒注入路２１ａ’が延出されている。路２１ａ’は、膨張弁（冷媒膨張手段）２４’の一次ポートに連なっている。膨張弁２４’の二次ポートから下流側冷媒注入路２１ｂ’が延び、蒸発器２５の下端部に連なっている。
上流側冷媒注入路２１ａ’には、殆ど水（液相）だけが取込まれる。したがって、膨張弁２４’は、水の膨張、減圧だけを行なう。この膨張、減圧後の水が、下流側冷媒注入路２１ｂ’を経て、蒸発器２５内に注入される。
上記湿り空気の満たされた凝縮器２３Ｘ上部からは、気体注入路２１ｆが蒸発器２５へ向けて延びている。
気体注入路２１ｆには、第１、第２気体膨張弁２４Ａ，２４Ｂが設けられている。これら膨張弁２４Ａ，２４Ｂ間の注入路２１ｆは、大気開放路２１ｇを介して大気に開放されて大気圧になっている。これによって、第１気体膨張弁２４Ａの一次圧、ひいては凝縮器２３Ｘの内圧、更には圧縮機２２の吐出圧が、大気圧より大きくなり、例えば２気圧になっている。これによって、凝縮器２３Ｘの出力温度を高くすることができる。
第１気体膨張弁２４Ａで大気圧まで減圧された湿り空気は、第２気体膨張弁（気体膨張手段）２４Ｂで更に負圧に減圧される。これによって、空気を確実に未飽和状態にすることができる。
気体注入路２１ｆの下流端は、蒸発器２５の下側部（底部）に連なり、蒸発器２５に貯められた水の内部に臨んでいる。これによって、上記未飽和空気が、蒸発器２５内の貯留水に注入される。これによって、システムＳ１と同様に、蒸発量が増大し、出力が向上するようになっている。
システムＳ７では、冷媒用水の注入機構２１ａ’，２１ｂ’，２４’とは別途に、空気専用の注入機構２１ｆ，２４Ｂが設けられているので、水と空気の蒸発器２５への送り量をそれぞれ別々に調節することができる。これにより、蒸発器２５から水（液相）が溢れるのを簡単に防止でき、圧縮機２２が水（液相）の吸い込みにより損傷するのを防止することができる。
図８は、本発明の第８実施形態に係る暖房用ヒートポンプシステムＳ８を示したものである。この暖房システムＳ８のヒートポンプ２０は、システムＳ７のものと同様に構成され、水と空気を別経路で蒸発器２５に送る２経路注入系になっている。この点で、既述した単経路注入系の暖房システムＳ２と異なっている。システムＳ８の凝縮器２３Ｘの冷媒用水は、流通路１４を経て室内暖房器４０の放熱路４０ａに送られ放熱するようになっており、暖房用の熱媒を兼ねている。これにより、熱効率（暖房効率）を高めることができる。
図９は、本発明の第９実施形態に係る冷房用ヒートポンプシステムＳ９を示したものである。この冷房システムＳ９のヒートポンプ２０は、システムＳ７，Ｓ８のものと同様に２経路注入系になっている点で、既述した単経路注入系の冷房システムＳ３と異なっている。蒸発器２５と室内冷房器５０Ｘとの熱的接続構成は、システムＳ３と同様である。また、システムＳ８と同様に、凝縮器２３Ｘの冷媒用水が、放熱用の熱媒を兼ねて室外機４０Ｘの放熱路４０ａに送られるようになっている。
図１０は、本発明の第１０実施形態に係る冷水供給用ヒートポンプシステムＳ１０を示したものである。この冷水供給システムＳ１０のヒートポンプ２０は、システムＳ７〜Ｓ９のものと同様に２経路注入系になっている点で、既述した単経路注入系の冷水供給システムＳ４と異なっている。蒸発器２５からの冷水供給、蒸発器２５への水補給の構成は、システムＳ４と同様である。また、凝縮器２３Ｘと室外機４０Ｘとの熱的接続構成は、システムＳ９と同様である。
図１１は、本発明の第１１実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムＳ１１を示したものである。この給湯システムＳ１１は、膨張機−圧縮機連結構造のヒートポンプに２経路注入系を適用したものである。すなわち、システムＳ１１の空気専用の注入路２１ｆには、システムＳ７の第２気体膨張弁２４Ｂに代えてタービン２６が設けられている。このタービン２６の翼が回転軸２７を介して圧縮機２２の翼にトルク伝達可能に連結されている。なお、システムＳ１１には、システムＳ７の第１気体膨張弁２４Ａは設けられていない。システムＳ１１において、その余の構成はシステムＳ７と同様である。
図１２は、本発明の第１２実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムＳ１２を示したものである。この給湯システムＳ１２は、システムＳ１１のタービン２６と軸２７に代えて、ルーツ式膨張機２６Ｘと伝達機構２７Ｘを採用したものである。また、蒸発器２５の加温機構は、システムＳ６と同様に構成されている。
本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の形態を採用可能である。
例えば、本発明に係る圧縮式ヒートポンプ２０は、冷媒として水以外の常温常圧で液相の凝縮性流体を用いてもよく、フロン等の常温常圧で気相の凝縮性流体を用いてもよく、何れの冷媒を用いた場合でも出力の向上を実現することができる。
非凝縮性気体は、空気のほかヘリウムや窒素などでもよい。要するに、ヒートポンプの作動領域で気体のまま相変化しない物質であればよい。
冷媒として水を用い、非凝縮性気体として空気を用いたヒートポンプシステムでは、凝縮器の下流端を開放し、凝縮した水と空気を放出することにしてもよい。更に、上記水−空気系において、冷房や冷水供給を行なうシステムでは、凝縮器２３を無くして、圧縮機２２の吐出端を大気に開放してもよい。この場合、共通注入路、又は冷媒注入路と気体注入路によって新たな水と空気を取込み、蒸発器に注入する。単経路注入系の冷水供給システムの場合には、共通注入路に水補充路としての役目を兼ねさせることができる。
冷媒としてフロン等を用いた場合には、蒸発器や冷媒循環路に非凝縮性気体をはじめから混入しておき、大気開放路２１ｅ，２１ｇを無くしてヒートポンプを完全な閉サイクルにするとよい。
共通注入路又は気体注入路の蒸発器への連通位置は、蒸発器底部が望ましいが、貯留液相冷媒内に臨む部位であれば、底部に限られるものではない。吐出路は、蒸発器上部から延びているのが望ましいが、蒸発器内の混合気体を吸い込むことができる部位であれば、上部に限られるものではない。
蒸発器と凝縮器の一方を選択して、室外機に熱的に接続し、他方を室内機に熱的に接続する方向制御弁等の接続切換え手段を設け、冬季は、蒸発器を室外機に接続し、凝縮器を室内機に接続して暖房を行ない、夏季は、蒸発器を室内機に接続し、凝縮器を室外機に接続して冷房を行なうことにしてもよい。これによって、１つのシステムで暖房と冷房の両方を行なうことができる。
単経路注入系のシステムＳ１〜Ｓ６において、注入路２１ａに大気開放路２１ｅを設けないことにしてもよい。又は、膨張手段２４，２６，２６Ｘとは別途に、大気開放路２１ｅより上流側の注入路２１ａにも膨張手段を設けることにしてもよい。これによって、圧縮機２２の吐出圧を大気圧より大きくでき、凝縮器２３の出力温度を高くすることができる。
単経路注入系の給湯システムＳ１〜Ｓ６においても、２経路注入系の給湯システムＳ７〜Ｓ１２と同様に、凝縮器で作られた高温冷媒を受熱装置に直接送ることにしてもよい。逆に、２経路注入系の給湯システムＳ７〜Ｓ１２において、単経路注入系の給湯システムＳ１〜Ｓ６と同様に、ヒートポンプの冷媒とは別の熱媒ないしは給湯用水を凝縮器と受熱装置との間で循環させることにしてもよい。
タンク状の凝縮器２３Ｘを有する給湯システムＳ７，Ｓ１１，Ｓ１２において、凝縮器２３Ｘが貯湯タンクを兼ね、この凝縮器２３Ｘから給湯路１２が直接延びていてもよい。給湯システムＳ１，Ｓ５，Ｓ６においても、タンク状の凝縮器２３Ｘを採用して、上記と同様に貯湯タンクを兼ねさせてもよい。
２経路注入系のシステムＳ７〜Ｓ１２において、凝縮後の液相冷媒と非凝縮性気体とを分離する気液分離手段を凝縮器とは別途に設け、この気液分離手段の液相冷媒貯留部から冷媒注入路を延ばし、気液分離手段の気体充満部から気体注入路を延ばすことにしてもよい。
システムＳ１，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ１１において、サブヒートポンプ３０の冷媒として炭酸ガス等を用いてもよい。サブヒートポンプは、圧縮式に限られず、吸収式等、他の形式のものを用いてもよい。
膨張機−圧縮機連結構造における膨張機は、タービン２６以外の非容積式膨張機を用いてもよく、ルーツ型膨張機２６Ｘ以外のスクロール式その他の容積式膨張機を用いてもよい。
膨張機−圧縮機連結構造を有する２経路注入系のシステムＳ１１，Ｓ１２において、冷媒注入路２１ａ’，２１ｂ’の冷媒膨張手段についても気体注入路２１ｆの膨張機２６，２６Ｘと同様の膨張機を採用し、この膨張機で得られた力学的仕事を伝達機構を介して圧縮手段に伝達することにしてもよい。
膨張機−圧縮機連結構造は、暖房、冷房、冷水供給の各システムにおいても採用可能である。
蒸発器への注入路の流通断面積を極めて小さくして膨張、減圧作用を持たせ、この注入路に膨張手段の役目を兼ねさせることにしてもよい。
蒸発器は、タンク状に限られず、例えば２重管式熱交換器構造になっていてもよい。
産業上の利用可能性
この発明に係るヒートポンプ及びヒートポンプシステムは、給湯、暖房、冷房、冷水供給等の各システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
図２は、本発明の第２実施形態に係る暖房用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
図３は、本発明の第３実施形態に係る冷房用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
図４は、本発明の第４実施形態に係る冷水供給用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
図５は、本発明の第５実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
図６は、本発明の第６実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
図７は、本発明の第７実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
図８は、本発明の第８実施形態に係る暖房用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
図９は、本発明の第９実施形態に係る冷房用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
図１０は、本発明の第１０実施形態に係る冷水供給用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
図１１は、本発明の第１１実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
図１２は、本発明の第１２実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。

Claims (23)

1. 冷媒を蒸発させた後圧縮して熱を汲み上げるヒートポンプにおいて、上記冷媒が蒸発する蒸発器と、この蒸発器に接続され、上記蒸発する前の液相冷媒に非凝縮性気体を未飽和状態で注入する注入機構と、上記蒸発した気相の冷媒と上記非凝縮性気体との混合気体を上記蒸発器から吸い込み圧縮して吐出する圧縮手段とを備えたことを特徴とするヒートポンプ。
2. 上記注入機構が、上記液相冷媒と上記非凝縮性気体との混合流体を上記蒸発器の液相冷媒に注入する共通注入路と、この共通注入路に設けられ、上記混合流体を膨張させる共通膨張手段とを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 上記共通注入路が、上記蒸発器の底部に連なっていることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ。
4. 上記圧縮手段から吐出された混合気体を取込み、そのうち気相冷媒を凝縮させる凝縮器を備え、この凝縮器から上記共通注入路が延びていることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ。
5. 上記非凝縮性気体が空気であり、上記共通注入路における上記凝縮器と上記共通膨張手段との間の通路部分に、大気へ開放された開放ポートが設けられていることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ。
6. 上記共通膨張手段が、膨張弁であることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ。
7. 上記共通膨張手段が、上記混合流体の膨張に伴って力学的仕事を発生させる膨張機であり、この膨張機と上記圧縮手段とが伝達機構により連結され、この伝達機構が、上記仕事を上記圧縮手段に伝達することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ。
8. 上記液相冷媒を上記蒸発器に注入する冷媒注入路と、この冷媒注入路に設けられ、上記液相冷媒を膨張させる冷媒膨張手段とを、上記注入機構とは別途に備え、
   上記注入機構が、上記非凝縮性気体を上記蒸発器の液相冷媒に注入する気体注入路と、この気体注入路に設けられ、上記非凝縮性気体を膨張させる気体膨張手段とを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
9. 上記気体注入路が、上記蒸発器の底部に連なっていることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ。
10. 上記非凝縮性気体が空気であり、上記気体注入路における上記気体膨張手段より上流側が大気に開放されていることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ。
11. 上記気体膨張手段が、膨張弁であることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ。
12. 上記気体膨張手段が、上記非凝縮性気体の膨張に伴って力学的仕事を発生させる膨張機であり、この膨張機と上記圧縮手段とが伝達機構により連結され、この伝達機構が、上記仕事を上記圧縮手段に伝達することを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ。
13. 上記圧縮手段から吐出された混合気体を取込み、そのうち気相冷媒を凝縮させる凝縮器と、この凝縮器で凝縮後の液相冷媒と上記非凝縮性気体とを分離する気液分離手段を更に備え、上記分離後の液相冷媒が上記冷媒注入路に取り込まれ、上記分離後の非凝縮性気体が上記気体注入路に取り込まれることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ。
14. 上記凝縮器が、タンク状をなし、その内部において上記非凝縮性気体と上記液相冷媒とが上下に分離されることにより上記気液分離手段を兼ねていることを特徴とする請求項１３に記載のヒートポンプ。
15. 上記圧縮手段から吐出された混合気体を取込み、そのうち気相冷媒を凝縮させる凝縮器を備え、上記圧縮手段の吐出圧ひいては上記凝縮器の内圧が、大気圧より大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
16. 上記非凝縮性気体が、空気であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
17. 上記冷媒が、常温常圧で液相の凝縮性流体であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
18. 上記凝縮性流体が、水であることを特徴とする請求項１７に記載のヒートポンプ。
19. 上記圧縮手段から吐出された混合気体を取込み、そのうち気相冷媒を凝縮させる凝縮器を備えた請求項１〜３、６〜１２、１６〜１８の何れかに記載のヒートポンプと、このヒートポンプの凝縮器に熱的に接続され、上記凝縮器から熱を受け取る受熱装置とを備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
20. 請求項４、５、１３〜１５の何れかに記載のヒートポンプと、このヒートポンプの凝縮器に熱的に接続され、上記凝縮器から熱を受け取る受熱装置とを備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
21. 請求項１〜１８の何れかに記載のヒートポンプと、このヒートポンプの蒸発器に熱的に接続され、上記蒸発器に熱を与える授熱装置とを備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
22. 上記冷媒が水である請求項１〜１６の何れかに記載のヒートポンプと、このヒートポンプの蒸発器から延び、蒸発前の水の一部を取り出す冷水供給路と、上記蒸発器に水を補充する水補充路とを備えたことを特徴とする冷水供給用ヒートポンプシステム。
23. 上記冷媒が常温常圧で液相の凝縮性流体である請求項１〜１６の何れかに記載のヒートポンプと、常温常圧で気相の凝縮性流体を冷媒として熱を汲み上げ、汲み上げた熱を上記ヒートポンプの蒸発器に与えるサブヒートポンプとを備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。

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