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

ヒートポンプ及びヒートポンプシステム Download PDF

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徹哉 石井
屋代 進
進 屋代
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    • F25B9/00Compression machines, plant, or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002Compression machines, plant, or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant

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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