WO2018042482A1 - ヒートポンプシステム - Google Patents

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徹 利根川
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三菱電機株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00Evaporators; Condensers
    • F25B39/04Condensers

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump system.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a system including a refrigeration cycle having a compressor, a gas cooler, a decompressor, and an evaporator as such a heat pump system.
  • a refrigeration cycle having a compressor, a gas cooler, a decompressor, and an evaporator as such a heat pump system.
  • the gas cooler heat exchange is performed between the refrigerant flowing through the refrigeration cycle and the water flowing inside.
  • Patent Documents 1 and 2 contribute to improving the energy efficiency of the system in terms of recovering heat radiated from the compressor.
  • the techniques of Patent Documents 1 and 2 both have a structure in which the heat medium pipe in the gas cooler is positively opposed to the compressor to promote heat dissipation from the compressor and heat recovery in the gas cooler. For this reason, the technique of the said patent document 1 and 2 is an inadequate structure from a viewpoint of suppressing the thermal radiation amount from a compressor, and the room for improvement is left.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a heat pump system that can suppress heat dissipation from the compressor and improve the energy efficiency of the system.
  • a heat pump system includes a compressor that compresses a refrigerant, a gas cooler that exchanges heat between the refrigerant compressed by the compressor and a liquid heat medium, a decompressor that decompresses the refrigerant, and a decompressor.
  • the gas cooler includes a heat medium pipe having a spiral groove formed on the outer peripheral surface, and a spirally wound along the spiral groove. And a refrigerant pipe, and a compressor is arranged in a space covered with a gas cooler.
  • the gas cooler has the refrigerant pipe spirally wound along the spiral groove formed on the outer peripheral surface of the heat medium pipe.
  • the relatively high-temperature refrigerant pipe faces the compressor at a position closer to the compressor than the relatively low-temperature heat medium pipe.
  • FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a heat pump system according to a first embodiment.
  • FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a main part of the gas cooler according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a configuration diagram illustrating the heat pump system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the heat pump system of the present embodiment includes a heat pump unit 100 and a tank unit 200.
  • the heat pump unit 100 includes a compressor 1, a gas cooler 2, a decompression device 3, an evaporator 4, a refrigerant circuit 5, a fan 6, and a fan motor 7.
  • the compressor 1 compresses the refrigerant gas.
  • the kind of refrigerant is not particularly limited.
  • a CO2 refrigerant is used.
  • the CO2 refrigerant has an ozone depletion coefficient of 0 and a global warming coefficient of 1. For this reason, the CO2 refrigerant is a refrigerant having features such as a low environmental load, no toxicity, no flammability, safety, and low cost.
  • the refrigeration cycle using the CO 2 refrigerant is a transcritical cycle in which the pressure of the high-pressure refrigerant compressed by the compressor 1 becomes a supercritical pressure.
  • the temperature increase range of the heat medium in the gas cooler 2 can be increased. This is particularly effective for a heat pump hot water supply apparatus that uses water as a heat medium, and functions effectively for a high temperature hot water supply of about 90 ° C., for example.
  • the gas cooler 2 heats the heat medium by exchanging heat between the high-pressure refrigerant compressed by the compressor 1 and the liquid heat medium.
  • the heat medium for example, water, calcium chloride aqueous solution, ethylene glycol aqueous solution, alcohol or the like can be used. In the heat pump system of the first embodiment, water is used as the heat medium. Details of the configuration and arrangement of the main part of the gas cooler 2 will be described later.
  • the compressor 1, the refrigerant piping of the gas cooler 2, the decompression device 3, and the evaporator 4 are connected in a ring shape via a refrigerant circuit 5 to form a refrigerant circuit.
  • the heat pump system operates a heat pump cycle, that is, a refrigeration cycle by this refrigerant circuit.
  • the decompression device 3 decompresses the high-pressure refrigerant that has passed through the gas cooler 2.
  • the decompression device 3 is configured, for example, as an electronically controlled expansion valve that can vary the opening degree.
  • the high-pressure refrigerant passes through the decompression device 3 and becomes a low-pressure refrigerant in a gas-liquid two-phase state.
  • the evaporator 4 is a heat exchanger that exchanges heat between the low-pressure refrigerant decompressed by the decompression device 3 and the outside air. Outside air is outdoor air.
  • the low-pressure refrigerant in the gas-liquid two-phase state evaporates by absorbing the heat of the outside air with the evaporator 4.
  • the low-pressure refrigerant gas evaporated by the evaporator 4 is sucked into the compressor 1.
  • the fan 6 blows air so that outside air is supplied to the evaporator 4.
  • the fan 6 is rotated by being driven by the fan motor 7.
  • a suction muffler 8 is arranged on the suction side of the compressor 1.
  • the suction muffler 8 is for reducing sound generated when the refrigerant flows into the compressor 1.
  • the tank unit 200 includes a heat storage tank 20, a return pipe 21, and a feed pipe 22.
  • the heat storage tank 20 can store the heat medium before being heated and the heat medium after being heated.
  • the feed pipe 22 connects the lower part of the heat storage tank 20 and the inlet of the heat medium pipe of the gas cooler 2.
  • the return pipe 21 connects between the outlet of the heat medium pipe of the gas cooler 2 and the upper part of the heat storage tank 20.
  • a circulation pump (not shown) is disposed in the feed pipe 22. By operating the circulation pump, the heat medium flowing out from the lower part of the heat storage tank 20 is sent to the gas cooler through the feed pipe 22. The heat medium heated by the gas cooler 2 is sent to the upper part of the heat storage tank 20 through the return pipe 21.
  • FIG. 2 is a configuration diagram illustrating a main part of the gas cooler.
  • the gas cooler 2 includes a heat medium pipe 10 and a refrigerant pipe 11.
  • a low-temperature heat medium sent from the heat storage tank 20 circulates.
  • a high-temperature refrigerant sent from the compressor 1 flows through the refrigerant pipe 11.
  • a plurality of continuous spiral grooves 101 are formed on the outer peripheral surface of the pipe. The number of spiral grooves is not particularly limited. In the example of the gas cooler 2 shown in FIG. 2, four spiral grooves are formed in the heat medium pipe 10.
  • Refrigerant piping 11 branches in the middle so that a plurality of parallel flow paths are formed.
  • the refrigerant pipe 11 is branched into a first refrigerant pipe 111, a second refrigerant pipe 112, a third refrigerant pipe 113, and a fourth refrigerant pipe 114.
  • the first refrigerant pipe 111, the second refrigerant pipe 112, the third refrigerant pipe 113 and the fourth refrigerant pipe 114 are spirally wound along the four spiral grooves 101 formed in the heat medium pipe 10. It is inserted.
  • the refrigerant pipe 11 and the heat medium are separated because the refrigerant pipe 11 is branched into a plurality of refrigerant pipes and then fitted into the spiral groove of the heat medium pipe 10.
  • the contact heat transfer area with the pipe 10 can be increased.
  • coolant piping can also be prevented, a heat leak can be prevented.
  • the contact heat transfer area between the refrigerant pipe 11 and the heat medium pipe 10 can be changed by changing the number of branches of the refrigerant pipe 11, the flow path design can be easily optimized. .
  • the gas cooler 2 is wound around the outer periphery of the compressor 1 and the suction muffler 8. More specifically, in the gas cooler 2, a space covered with the gas cooler 2 is formed by winding the heat medium pipe 10 around which the refrigerant pipe 11 is wound in a cylindrical shape. The compressor 1 and the suction muffler 8 are disposed in this space.
  • the temperature of the compressor 1 rises.
  • the pressure of the high-pressure refrigerant becomes a supercritical pressure, and thus the temperature rise of the compressor 1 becomes significant. In this case, heat is actively released from the compressor 1 to the outside air, and the heat loss of the system increases.
  • the gas cooler 2 is arranged so as to wrap around the compressor 1, so that the periphery of the compressor 1 is kept at a high temperature. Therefore, since the heat dissipation from the compressor 1 is suppressed, the energy efficiency fall of the system by a heat loss can be suppressed.
  • the refrigerant pipe 11 is wound around and fitted in the spiral groove of the heat medium pipe 10, so that the refrigerant pipe 11 is closer to the compressor 1 than the heat medium pipe 10. Will be covered. Thereby, since the circumference
  • the refrigerant pipe 11 since the refrigerant pipe 11 is branched and wound around the heat medium pipe 10, the area where the refrigerant pipe 11 is in contact with the external space is larger than that of the heat medium pipe 10. Thereby, since the range in which the refrigerant pipe 11 faces the compressor 1 is ensured larger than that of the heat medium pipe 10, the effect of suppressing heat loss due to heat radiation from the compressor 1 can be further enhanced.
  • the suction muffler 8 is arranged together with the compressor 1 in the space covered with the gas cooler 2.
  • the suction muffler 8 can also be maintained at a high temperature, heat can also be given to the refrigerant passing through the suction muffler 8.
  • transduced into the compressor 1 increases, the temperature of the refrigerant
  • the heat medium pipe 10 around which the refrigerant pipe 11 is wound is wound into a cylindrical shape to form a space covered with the gas cooler 2.
  • the shape of the gas cooler 2 is not limited to this, and there is no limitation on the handling of the heat medium pipe 10 as long as the space covered by the gas cooler 2 can be formed.

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Abstract

ヒートポンプシステムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された冷媒と液状の熱媒体との間で熱を交換するガスクーラと、冷媒を減圧させる減圧装置と、減圧装置で減圧された冷媒と、外気との間で熱を交換する蒸発器と、を備える。ガスクーラは、外周面に螺旋溝が形成された熱媒体配管と、螺旋溝に沿って螺旋状に巻き付けられた冷媒配管と、を有している。圧縮機は、ガスクーラにより覆われた空間に配置される。

Description

ヒートポンプシステム
 本発明は、ヒートポンプシステムに関する。
 外気から吸収した熱を用いて水などの液状熱媒体を加熱するヒートポンプシステムが広く用いられている。特許文献1及び2には、このようなヒートポンプシステムとして、圧縮機、ガスクーラ、減圧装置及び蒸発器を有する冷凍サイクルを備えたシステムが開示されている。ガスクーラでは、冷凍サイクルを流れる冷媒と内部を流れる水との間で熱交換が行なわれる。
 ここで、冷凍サイクルの圧縮機の温度が大きく上昇すると、外気への放熱量が増大してしまう。この場合、ガスクーラにおいて冷媒から水へと与えられる熱量が減少するため、システムのエネルギ効率が低下するという問題がある。特許文献1又は2の技術では、この問題への対策として、ガスクーラを圧縮機の周囲に配置して圧縮機からの放熱をガスクーラで回収する構成が採用されている。
日本特開2002-372318号公報 日本特開2005-345006号公報
 圧縮機からの放熱量が増大すると、圧縮機からガスクーラへと導入される冷媒の温度は低下してしまう。そこで、圧縮機からの放熱量を抑制する策を講じることとすれば、システムのエネルギ効率の更なる向上を見込める。上記特許文献1及び2の技術は、圧縮機から放熱される熱を回収する点において、システムのエネルギ効率の向上に寄与する。しかしながら、特許文献1及び2の技術は、何れもガスクーラにおける熱媒体配管を圧縮機に積極的に対面させて、圧縮機からの放熱及びガスクーラでの熱の回収を促進する構造としている。このため、上記特許文献1及び2の技術は、圧縮機からの放熱量を抑制する観点からは不十分な構造であり、改善の余地が残されている。
 本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、圧縮機からの放熱を抑制してシステムのエネルギ効率を向上させることができるヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
 本発明に係るヒートポンプシステムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された冷媒と液状の熱媒体との間で熱を交換するガスクーラと、冷媒を減圧させる減圧装置と、減圧装置で減圧された冷媒と、外気との間で熱を交換する蒸発器と、を備え、ガスクーラは、外周面に螺旋溝が形成された熱媒体配管と、螺旋溝に沿って螺旋状に巻き付けられた冷媒配管と、を有し、ガスクーラにより覆われた空間に圧縮機を配置したものである。
 本発明のヒートポンプシステムによれば、ガスクーラは、熱媒体配管の外周面に形成された螺旋溝に沿って冷媒配管が螺旋状に巻き付けられている。このため、比較的高温の冷媒配管は比較的低温の熱媒体配管よりも圧縮機に近接した位置で当該圧縮機に対面する。これにより、圧縮機の周囲をより高温に保つことができるので、圧縮機からの放熱による熱損失を抑制してシステムのエネルギ効率を高めることが可能となる。
実施の形態1のヒートポンプシステムを示す構成図である。 実施の形態1のガスクーラの要部を示す構成図である。
 以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を簡略化または省略する。なお、本発明における装置、器具、及び部品等の、個数、配置、向き、形状、及び大きさは、原則として、図面に示す個数、配置、向き、形状、及び大きさに限定されない。
実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
 図1は、実施の形態1のヒートポンプシステムを示す構成図である。図1に示すように、本実施の形態のヒートポンプシステムは、ヒートポンプユニット100とタンクユニット200とを備える。
 ヒートポンプユニット100は、圧縮機1、ガスクーラ2、減圧装置3、蒸発器4、冷媒回路5、ファン6及びファンモータ7を備える。圧縮機1は、冷媒ガスを圧縮する。冷媒の種類は、特に限定されない。実施の形態1のヒートポンプシステムでは、CO2冷媒が使用される。CO2冷媒は、オゾン破壊係数が0であり、地球温暖化係数が1である。このため、CO2冷媒は、環境への負荷が小さい、毒性がない、可燃性がない、安全、及び安価等の特徴を有する冷媒である。また、CO2冷媒を用いた冷凍サイクルでは、圧縮機1で圧縮された高圧冷媒の圧力が超臨界圧となる遷臨界サイクルとなる。これにより、高い成績係数COPを得ることができるので、ガスクーラ2での熱媒体の昇温幅を大きくすることができる。このことは、熱媒体に水を使用するヒートポンプ給湯装置に対して特に有効であり、例えば90℃程度の高温給湯に対して有効に機能する。
 ガスクーラ2は、圧縮機1で圧縮された高圧冷媒と、液状の熱媒体との間で熱を交換することで、熱媒体を加熱する。熱媒体としては、例えば、水、塩化カルシウム水溶液、エチレングリコール水溶液、アルコールなどを使用できる。実施の形態1のヒートポンプシステムでは、熱媒体として水を使用している。ガスクーラ2の要部の構成及び配置については詳細を後述する。
 圧縮機1、ガスクーラ2の冷媒配管、減圧装置3、及び蒸発器4は、冷媒回路5を介して環状に接続されることで冷媒回路を形成する。ヒートポンプシステムは、この冷媒回路により、ヒートポンプサイクル、つまり冷凍サイクルの運転を行う。
 減圧装置3は、ガスクーラ2を通過した高圧冷媒を減圧する。減圧装置3は、例えば開度を可変にできる電子制御式の膨張弁等として構成される。高圧冷媒は、減圧装置3を通過することで、気液二相状態の低圧冷媒になる。蒸発器4は、減圧装置3で減圧された低圧冷媒と、外気との間で熱を交換する熱交換器である。外気とは、屋外の空気である。気液二相状態の低圧冷媒は、蒸発器4で外気の熱を吸収することで、蒸発する。蒸発器4で蒸発した低圧冷媒ガスは、圧縮機1に吸入される。ファン6は、外気が蒸発器4へ供給されるように送風する。ファン6は、ファンモータ7に駆動されることで回転する。
 実施の形態1のヒートポンプユニット100では、圧縮機1の吸入側にサクションマフラー8が配置されている。サクションマフラー8は、圧縮機1に冷媒が流れた際に発生する音を低減させるためのものである。
 タンクユニット200は、蓄熱槽20、戻り配管21及び送り配管22を備える。蓄熱槽20は、加熱される前の熱媒体及び加熱された後の熱媒体を貯留できる。送り配管22は、蓄熱槽20の下部と、ガスクーラ2の熱媒体配管の入口との間を接続する。戻り配管21は、ガスクーラ2の熱媒体配管の出口と、蓄熱槽20の上部との間を接続する。送り配管22には、図示しない循環ポンプが配置されている。循環ポンプが動作することで、蓄熱槽20の下部から流出した熱媒体が送り配管22を通ってガスクーラへ送られる。ガスクーラ2で加熱された熱媒体は、戻り配管21を通って、蓄熱槽20の上部へ送られる。
[実施の形態1の特徴]
 次に、実施の形態1の特徴であるガスクーラ2の構成について説明する。図2は、ガスクーラの要部を示す構成図である。ガスクーラ2は、熱媒体配管10と冷媒配管11とを備えている。熱媒体配管10は、蓄熱槽20から送出された低温の熱媒体が流通する。また、冷媒配管11は圧縮機1から送出された高温の冷媒が流通する。熱媒体配管10には、配管の外周面に複数条のそれぞれ連続した螺旋溝101が形成されている。螺旋溝の条数は特に限定されない。図2に示すガスクーラ2の例では、熱媒体配管10に4条の螺旋溝が形成されている。
 冷媒配管11は、複数の並列な流路が形成されるように途中で分岐している。図2に示すガスクーラ2の例では、冷媒配管11が第一冷媒配管111、第二冷媒配管112、第三冷媒配管113及び第四冷媒配管114に分岐している。第一冷媒配管111、第二冷媒配管112、第三冷媒配管113及び第四冷媒配管114は、熱媒体配管10に形成された4条の螺旋溝101に沿ってそれぞれ螺旋状に巻き付いた状態で嵌め込まれている。
 上記のように構成された実施の形態1のガスクーラ2では、冷媒配管11を複数の冷媒配管に分岐させた上で熱媒体配管10の螺旋溝に嵌め込む構成のため、冷媒配管11と熱媒体配管10との接触伝熱面積を拡大させることができる。また、隣接する冷媒配管同士の接触を防ぐこともできるので、熱漏洩を防止することができる。また、冷媒配管11の分岐数を変更することにより、冷媒配管11と熱媒体配管10との接触伝熱面積を変えることができるので、流路設計の最適化を容易に行うことが可能となる。
 また、図1に示すように、ガスクーラ2は、圧縮機1及びサクションマフラー8の外周側に巻回して配置される。より詳しくは、ガスクーラ2は、冷媒配管11が巻き付けられた熱媒体配管10が筒状に巻き回されることにより、ガスクーラ2に周囲を覆われた空間が形成される。圧縮機1及びサクションマフラー8は、この空間内に配置される。
 上述したように、冷凍サイクルを動作させると圧縮機1の温度は上昇する。特に、冷媒にCO2冷媒を使用している場合には、高圧冷媒の圧力が超臨界圧となるため、圧縮機1の温度上昇が顕著となる。この場合、圧縮機1から外気への放熱が活発に行なわれてシステムの熱損失が増大してしまう。
 ここで、ガスクーラ2の冷媒配管11には圧縮機1で圧縮された高温の冷媒が流通するため、ガスクーラ2の周囲の温度は上昇する。実施の形態1のヒートポンプシステムでは、ガスクーラ2が圧縮機1の周囲に巻き付くように配置されているので、圧縮機1の周囲が高温に保たれる。これにより、圧縮機1からの放熱が抑制されるので、熱損失によるシステムのエネルギ効率低下を抑制することができる。
 また、実施の形態1のシステムでは、熱媒体配管10の螺旋溝に冷媒配管11を巻き付けて嵌め込む構成のため、圧縮機1に対して冷媒配管11が熱媒体配管10よりもより近接した範囲を覆うこととなる。これにより、圧縮機1の周囲をより高温に維持することができるので、圧縮機1からの放熱による熱損失を抑える効果をより高めることができる。
 また、実施の形態1のシステムでは、冷媒配管11を分岐させて熱媒体配管10に巻き付けているため、冷媒配管11が外部空間に接する面積が熱媒体配管10のそれよりも大きくなっている。これにより、冷媒配管11が圧縮機1に対面する範囲が熱媒体配管10のそれよりも大きく確保されるため、圧縮機1からの放熱による熱損失を抑える効果をより高めることができる。
 また、実施の形態1のシステムでは、ガスクーラ2に周囲を覆われた空間内に、圧縮機1とともにサクションマフラー8が配置されている。これにより、サクションマフラー8も高温に維持することができるので、サクションマフラー8を通過する冷媒にも熱を与えることができる。これにより、圧縮機1に導入される冷媒の温度が高まるので、圧縮機1からガスクーラ2へと導入される冷媒の温度を効果的に高めてシステム効率を高めることができる。
 ところで、上述した実施の形態1のヒートポンプシステムでは、冷媒配管11が巻き付けられた熱媒体配管10を筒状に巻き回してガスクーラ2に周囲を覆われた空間を形成することとした。しかしながら、ガスクーラ2の形状はこれに限られず、ガスクーラ2に周囲を覆われた空間を形成できるのであれば、熱媒体配管10の取り回しに限定はない。
100 ヒートポンプユニット、 1 圧縮機、 2 ガスクーラ、 3 減圧装置、 4 蒸発器、 5 冷媒回路、 6 ファン、 7 ファンモータ、 8 サクションマフラー、 10 熱媒体配管、 101 螺旋溝、 11 冷媒配管、 111 第一冷媒配管、 112 第二冷媒配管、 113 第三冷媒配管、 114 第四冷媒配管、 200 タンクユニット、 20 蓄熱槽、 21 戻り配管、 22 送り配管

Claims (5)

  1.  冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒と液状の熱媒体との間で熱を交換するガスクーラと、冷媒を減圧させる減圧装置と、前記減圧装置で減圧された冷媒と、外気との間で熱を交換する蒸発器と、を備えるヒートポンプシステムにおいて、
     前記ガスクーラは、
     外周面に螺旋溝が形成された熱媒体配管と、
     前記螺旋溝に沿って螺旋状に巻き付けられた冷媒配管と、を有し、
     前記ガスクーラにより覆われた空間に前記圧縮機を配置したことを特徴とするヒートポンプシステム。
  2.  前記ガスクーラは、前記冷媒配管が巻き付けられた前記熱媒体配管を前記圧縮機の外周側に巻回した形状を有することを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプシステム。
  3.  前記螺旋溝は、複数条の螺旋溝として構成され、
     前記冷媒配管は、複数に分岐して前記複数条の螺旋溝のそれぞれに巻き付けられた形状に構成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のヒートポンプシステム。
  4.  前記圧縮機の吸入側に配置されたサクションマフラーを更に備え、
     前記サクションマフラーは、前記ガスクーラにより覆われた空間に配置されていることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載のヒートポンプシステム。
  5.  前記冷媒にCO2を使用し、前記熱媒体に水を使用したことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載のヒートポンプシステム。
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