(57)【要約】  【課題】低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとの加熱能力、冷却能力及び動作係数を、さらに向上させる。  【解決手段】低元側ヒートポンプ１の第１の上流側凝縮要素１２Ｕにおいて、第１の冷媒Ｒ４０４Ａが放熱する凝縮熱ＱＬ１１によって水を予熱し、第１の下流側凝縮要素１２Ｌにおいて放熱する凝縮熱ＱＬ１２によって、高元側ヒートポンプ２の第２の蒸発要素２４において第２の冷媒Ｒ１３４ａを蒸発させ、この高元側ヒートポンプの第２の上流側凝縮要素２２Ｕにおいて放熱する凝縮熱ＱＨ１１によって、予熱した水をさらに昇温させる。また高元側ヒートポンプ２の第２の下流側凝縮要素２２Ｌにおいて放熱する凝縮熱ＱＨ１２を、蓄熱槽４に蓄熱する。蓄熱槽４に十分蓄熱ができた場合には、低元側ヒートポンプ１は、この蓄熱槽から熱量ＱＬ２ａを吸熱する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低元側ヒートポンプ(1)と高元側ヒートポンプ(2)と熱媒経路(3)と蓄熱槽(4)とを備え、
上記低元側ヒートポンプ(1)は、第１の圧縮機(11)、第１の上流側凝縮要素(12U)、第１の下流側凝縮要素(12L)、第１の膨張弁(13)、第１の蒸発要素(14)、及びこれらをこの順序で循環する第１の冷媒(15)を有し、
上記高元側ヒートポンプ(2)は、第２の圧縮機(21)、第２の上流側凝縮要素(22U)、第２の下流側凝縮要素(22L)、第２の膨張弁(23)、第２の蒸発要素(24)、及びこれらをこの順序で循環する第２の冷媒(25)を有し、
上記熱媒経路(3)は、ポンプ(31)、上流側吸熱器(32)、下流側吸熱器(33)、及びこれらをこの順序で流れる熱媒(35)を有し、
上記第１の蒸発要素(14)は、外気から熱量ＱL2を吸熱し、
上記上流側吸熱器(32)は、上記第１の上流側凝縮要素(12U)から熱量ＱL11を吸熱し、
上記第２の蒸発要素(24)は、上記第１の下流側凝縮要素(12L)から熱量ＱL12を吸熱し、
上記下流側吸熱器(33)は、上記第２の上流側凝縮要素(22U)から熱量ＱH11を吸熱し、
上記蓄熱槽(4)は、上記第２の下流側凝縮要素(22L)から放熱される熱量ＱH12を蓄熱する
ことを特徴とする２元式ヒートポンプ。
【請求項２】
請求項１において、上記第１の蒸発要素(14)は、外気からの吸熱に替えて、上記蓄熱槽(4)から熱量ＱL2ａを吸熱する
ことを特徴とする２元式ヒートポンプ。
【請求項３】
請求項１において、さらに第３の膨張弁(53)と第３の蒸発要素(54)とを有し、
上記第１の蒸発要素(14)が着霜したときには、
上記第１の冷媒(15)は、上記第１の圧縮機(11)、第１の上流側凝縮要素(12U)、第１の下流側凝縮要素(12L)、第３の膨張弁(53)、及び第３の蒸発要素(54)をこの順序で循環し、
上記第３の蒸発要素(54)は、上記蓄熱槽(4)から熱量ＱL2bを吸熱し、
さらに上記第１の冷媒(15)は、上記第１の圧縮機(11)と第１の上流側凝縮要素(12U)との間で分流し、
上記分流した冷媒は、上記第１の蒸発要素(14)を経由して、上記第１の下流側凝縮要素(12L)と第３の膨張弁(53)との間で、上記第１の冷媒(15)と合流する
ことを特徴とする２元式ヒートポンプ。
【請求項４】
低元側ヒートポンプ(101)と高元側ヒートポンプ(102)と熱媒経路(103)とを備え、
上記低元側ヒートポンプ(101)は、第１の圧縮機(111)、第１の上流側凝縮要素(112U)、第１の下流側凝縮要素(112L)、第１の膨張弁(113)、第１の蒸発要素(114)、及びこれらをこの順序で循環する第１の冷媒(115)を有し、
上記高元側ヒートポンプ(102)は、第２の圧縮機(121)、第２の凝縮要素(122)、第２の膨張弁(123)、第２の蒸発要素(124)、及びこれらをこの順序で循環する第２の冷媒(125)を有し、
上記熱媒経路(103)は、ポンプ(131)、上流側放熱器(132)、下流側放熱器(133)、及びこれらをこの順序で流れる熱媒(135)を有し、
上記第２の蒸発要素(124)は、上記上流側放熱器(132)と第１の下流側凝縮要素(112L)とから、それぞれ熱量ＱH2及びＱL12を吸熱し、
上記第１の蒸発要素(114)は、上記下流側放熱器(133)から熱量ＱL2を吸熱し、
上記第１の上流側凝縮要素(112U)及び第２の凝縮要素(122)は、それぞれ外気に熱量ＱL11及びＱH11を放熱する
ことを特徴とする２元式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低元側と高元側との２つの蒸気圧縮サイクルを有する２元式ヒートポンプ及び冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機、凝縮器、膨脹弁、および蒸発器からなる蒸気圧縮サイクルにおいては、吸熱される側の温度、すなわち蒸発器における冷媒の蒸発温度と蒸発圧力とが低いと、圧縮機が吸引する冷媒の密度が低下する。しかるに、圧縮機が吸引する冷媒の密度が低下すると、蒸気圧縮サイクルを循環する冷媒の流量（単位時間に流れる質量）が低下して、暖房あるいは冷凍能力が低下する。さらに圧縮機における圧縮比が大きくなって圧縮仕事が増加し、いわゆる暖房あるいは冷凍の動作係数も低下する。したがって外気温度が低い寒冷地等では、暖房能力と暖房効率の低下が問題となる。
【０００３】
このような寒冷地等における暖房能力や動作係数の低下に対しては、低温においても密度の大きい、例えばＲ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ７１７等の冷媒を使用することが考えられる。しかるに低温においても密度が大きい冷媒は、屋内等の暖かい状態において凝縮すなわち暖房を行なうと、凝縮圧力が高くなって、冷媒の循環する経路及び機器の耐圧強度を増強する必要があり、製造コストが嵩む。
【０００４】
そこで上述した寒冷地における外気温度や、冷媒温度が低い場合の問題を解決するために、それぞれ冷媒が異なる、いわゆる２元式ヒートポンプが提案されている。この２元式ヒートポンプでは、低元側と高元側との２つの蒸気圧縮サイクルを設けて、低元側に低温時の密度の大きい冷媒を使用し、高元側に蒸発温度が高い冷媒を使用する。そして低元側冷媒の高温の凝縮熱を熱源として、高元側の冷媒の蒸発を行ない、高元側の凝縮器を熱源として、室内の暖房や熱媒の供給を行なう。
【０００５】
すなわち低元側の冷媒の凝縮は、高元側の冷媒の蒸発熱によって行なうため、低元側の冷媒の凝縮温度を、暖房によって暖められた室内等の温度より低く設定することができる。したがって低元側ヒートポンプの凝縮圧力を低くすることができる。他方高元側の冷媒の蒸発は、低元側の凝縮熱によって行なうため、高元側の冷媒の蒸発温度を、低温の外気等より高く設定することができる。したがって高元側ヒートポンプについて、暖房等の能力と動作係数とを向上させることができる。
【０００６】
このような２元式ヒートポンプの例として、特許文献１及び２に示すような手段が提案されている。特許文献１に記載のヒートポンプ装置は、その添付図面１等に記載されているように、廃熱源式高温ヒートポンプに、２つの蒸発器４４，４５を直列に設けて、廃熱４６が十分な場合には、この廃熱を上流側の蒸発器４４に吸熱させ、廃熱４６が不十分な場合には、この廃熱に加えて、空気熱源式低温ヒートポンプの凝縮熱を、下流側の蒸発器４４に吸熱させている。
【０００７】
他方特許文献２に記載のヒートポンプ式熱媒装置は、外気を熱源とする低段側のヒートポンプに、上流側と下流側との２つの凝縮器を直列に設けて、下流側の凝縮器において放熱される凝縮熱によって熱媒を予熱し、上流側の凝縮器１３において放熱される凝縮熱によって、高段側のヒートポンプの冷媒を蒸発させ、さらに高段側のヒートポンプの凝縮熱によって、予熱した熱媒を高温にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６２−２２５８６０号公報
【特許文献２】特開平０４−２６３７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら上述した従来技術については、さらに暖房等の加熱能力と動作係数とを向上させるための改良すべき課題がある。すなわち特許文献１に記載のヒートポンプ装置については、低元側ヒートポンプ（空気熱源式低温ヒートポンプ）、及び高元側ヒートポンプ（廃熱源式高温ヒートポンプ）の双方について、給熱（凝縮熱）量と動作係数とを、さらに向上させ得る余地がある。
【００１０】
特許文献２に記載のヒートポンプ式熱媒装置については、低元側（低段側）のヒートポンプの、上流側の凝縮器において放熱する凝縮熱によって、高元側（高段側）のヒートポンプの蒸発器において冷媒を蒸発させ、下流側の凝縮器における凝縮熱によって、熱媒を予熱している。このため高段側のヒートポンプの蒸発器において冷媒を十分蒸発させるべく、上流側の凝縮器における放熱量を確保しようとすると、下流側の凝縮器における凝縮温度が低下して、熱媒を十分に予熱することが困難となる。逆に熱媒を十分に予熱すべく、下流側の凝縮器における凝縮温度を低下しないようにすると、上流側の凝縮器における凝縮熱が減少するため、高段側のヒートポンプの蒸発器における吸熱量が減少する。このため高段側のヒートポンプの凝縮器において放熱できる凝縮熱も少なくなり、予熱した熱媒をさらに昇温することが困難となる。
【００１１】
そこで本発明の目的は、低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとの加熱能力、冷却能力及び動作係数を、さらに向上させることができる２元式ヒートポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決すべく、本発明による２元式ヒートポンプの特徴は、低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとに、それぞれ２つの凝縮器を直列に設け、低元側ヒートポンプの上流側の凝縮器における凝縮熱によって熱媒を予熱し、低元側ヒートポンプの下流側の凝縮器における凝縮熱によって、高元側ヒートポンプの冷媒を蒸発器において蒸発させ、高元側ヒートポンプの上流側の凝縮器における凝縮熱によって、予熱した熱媒の温度をさらに昇温することにある。さらに高元側ヒートポンプの下流側の凝縮器が放熱する熱量を、蓄熱槽に蓄熱することにある。
【００１３】
図１に示す熱力学サイクル（以下単に「サイクル」という。）を参照しつつ、本発明による２元式ヒートポンプを説明する。なおこのサイクルの各行程を構成する構成部品、例えば圧縮行程を構成する圧縮機１は、図が煩雑になることを避けるために、図示していない。これらの構成部品については、別途図５〜図８において詳述する。さて図１に示すサイクルは、低元側ヒートポンプ１と、高元側ヒートポンプ２と、熱媒経路３と、蓄熱槽４とを備えている。
【００１４】
低元側ヒートポンプ１は、状態Ｌ１の冷媒ガスを、高温高圧の状態Ｌ２にまで圧縮する第１の圧縮機１１、状態Ｌ２の高温高圧の冷媒ガスを、飽和液の状態Ｌ３まで凝縮する第１の上流側凝縮要素１２Ｕ、状態Ｌ３の飽和液を過冷却液の状態Ｌ４に冷却する第１の下流側凝縮要素１２Ｌ、状態Ｌ４の過冷却液を、冷媒液と冷媒ガスとからなる気液混合冷媒の状態Ｌ５まで減圧する第１の膨張弁１３、状態Ｌ５の低温の気液混合冷媒を、飽和ガスの状態Ｌ１に蒸発させる第１の蒸発要素１４、及びこれらをこの順序で循環する第１の冷媒１５を有している。
【００１５】
また高元側ヒートポンプ２は、状態Ｈ１の冷媒ガスを高温高圧の状態Ｈ２にまで圧縮する第２の圧縮機２１、状態Ｈ２の高温高圧の冷媒ガスを、飽和液の状態Ｈ３まで凝縮する第２の上流側凝縮要素２２Ｕ、状態Ｈ３の飽和液を過冷却液の状態Ｈ４まで放熱する第２の下流側凝縮要素２２Ｌ、状態Ｈ４の過冷却液を気液混合の状態Ｈ５まで減圧する第２の膨張弁２３、状態Ｈ５の気液混合冷媒を、飽和ガスの状態Ｈ１に蒸発させる第２の蒸発要素２４、及びこれらをこの順序で循環する第２の冷媒２５を有している。熱媒経路３は、ポンプ３１、上流側吸熱器３２、下流側吸熱器３３、放熱器３４、及びこれらをこの順序で流れる熱媒３５を有している。
【００１６】
次に上述したサイクルの動作を説明する。すなわち低元側ヒートポンプ１に設けた第１の蒸発要素１４は、外気から熱量ＱL2を吸熱する。しかるに上述したように、２元式ヒートポンプでは、低元側ヒートポンプの冷媒は、高元側ヒートポンプの冷媒に比べて、同一温度における密度が大きい。したがって外気温度が低くても、第１の圧縮機１１に吸引される冷媒ガスの密度も大きく、循環する第１の冷媒１５の流量も多い。このため外気温度が低くても、第１の上流側凝縮要素１２Ｕ及び第１の下流側凝縮要素１２Ｌにおける放熱量の低下を抑制することができる。また第１の圧縮機１１における圧縮比が大きくなることを抑制できるので、動作係数の低下を抑制することができる。
【００１７】
熱媒経路３に設けた上流側吸熱器３２は、低元側ヒートポンプ１に設けた第１の上流側凝縮要素１２Ｕから放熱される熱量ＱL11を吸熱する。第１の上流側凝縮要素１２Ｕには、第１の圧縮機１１から吐出される高温のガス冷媒が流入するため、この第１の上流側凝縮要素における凝縮温度は高く、したがって熱媒経路３を循環する熱媒３５を、高い温度に予熱することができる。また第１の上流側凝縮要素１２Ｕにおける凝縮熱は、温度の低い水の予熱に利用されるため、この凝縮温度を、例えば室内の暖房温度に較べて、低く抑えることができる。よって第１の冷媒１５の凝縮圧力を低い値に設定することが可能となる。これにより低元側ヒートポンプ１の圧縮比を低く抑えることができ、動作係数が向上する。
【００１８】
また高元側ヒートポンプ２に設けた第２の蒸発要素２４は、低元側ヒートポンプ１に設けた第１の下流側凝縮要素１２Ｌの出口から熱量ＱL12を吸熱する。ここで第１の下流側凝縮要素１２Ｌの出口における第１の冷媒１５の温度は、外気温度より十分高い。よって高元側ヒートポンプ２における第２の蒸発要素２４に対して、外気温度より十分高い温度の熱源として利用できる。すなわち高元側ヒートポンプ２において蒸発温度が高ければ、第２の蒸発要素２４における蒸発圧力が高くなる。したがって第２の圧縮機２１に吸引される第２の冷媒ガス２５の密度を高くすることができる。このため上述した低元側ヒートポンプ１と同様に、第２の上流側凝縮要素２２Ｕ及び第２の下流側凝縮要素２２Ｌにおける放熱量を増加することができる。また第２の圧縮機２１における圧縮比を小さくできるので、動作係数を向上させることができる。
【００１９】
熱媒経路３に設けた下流側吸熱器３３は、高元側ヒートポンプ２に設けた第２の上流側凝縮要素２２Ｕから熱量ＱH11を吸熱する。ここで第２の上流側凝縮要素２２Ｕでは、第２の圧縮機２１から吐出される高温の第２の冷媒ガス１５が凝縮するため、凝縮温度は高温となる。したがって高温の凝縮熱と予熱された熱媒経路３の熱媒３５と熱交換させることにより、この熱媒を、さらに高温に加熱することができる。また高元側ヒートポンプ２に設けた第２の下流側凝縮要素２２Ｌから放熱される熱量ＱH12は、蓄熱槽４に蓄熱される。ここで第２の上流側凝縮要素２２Ｕで凝縮した後の第２の冷媒２５は、未だ十分高温の状態にある。よって第２の冷媒２５を、過冷却することによって得られる熱量を、再利用可能な熱源として蓄熱することができる。
【００２０】
さて蓄熱槽４に熱が蓄熱されて昇温した場合には、低温の外気に替えて、この蓄熱槽を熱源として、低元側ヒートポンプ１の冷媒を蒸発させることができる。そこで低元側ヒートポンプの蒸発器は、低温の外気からの吸熱に替えて、蓄熱槽から熱量ＱL2ａを吸熱するように構成することが望ましい。図２に示すサイクルを参照しつつ、蓄熱槽から吸熱する２元式ヒートポンプを具体的に説明する。
【００２１】
すなわち図２に示すサイクルは、低元側ヒートポンプ１における第１の冷媒１５の蒸発を、外気に替えて蓄熱槽４から熱量ＱL2aを吸熱することによって行なう点だけが、図１に示したサイクルと相違している。すなわち第１の冷媒１５を蒸発させる熱源を、特に低温時の外気に替えて、蓄熱槽４とすることによって、第１の蒸発要素１４における蒸発温度を高くすることができる。したがって低元側ヒートポンプ１の放熱能力と動作係数とを向上させることができる。なお蓄熱槽４を熱源にする場合は、低元側の蒸発器に着霜現象が生じることはないため、除霜運転が不要となる。また運転の継続によって蓄熱槽４の温度が低下して、外気からの吸熱より動作係数が低下する場合には、再び外気からの吸熱する運転に切り替える。
【００２２】
ところで低温の外気を熱源とすると、低元側ヒートポンプの蒸発器に霜が着き、この蒸発器の伝熱機能が劣化して吸熱能力が低下する。したがって所定の運転時間の経過毎に、蒸発器に着いた霜を除霜する必要がある。ここで除霜運転を行なう間も、暖房等を中断せずに継続できるように構成することが望ましい。図３に示すサイクルを参照しつつ、暖房等を継続しつつ除霜する２元式ヒートポンプを具体的に説明する。
【００２３】
すなわち図３に示すサイクルは、図１に示したサイクルに、さらに第３の膨張弁５３と第３の蒸発要素５４とを追加して備えている。すなわち図１に示したサイクルにおいて、低温の外気からの吸熱によって、第１の蒸発要素１４が着霜したときには、第１の圧縮機１１、第１の上流側凝縮要素１２Ｕ、及び第１の下流側凝縮要素１２Ｌを通過した第１の冷媒１５を、第１の膨張弁１３及び第１の蒸発要素１４に替えて、それぞれ新たな第３の膨張弁５３と第３の蒸発要素５４とに順次循環させる。また第３の蒸発要素５４は、上記蓄熱槽４から熱量ＱL2bを吸熱する。
【００２４】
したがってこの新たな低元側ヒートポンプ１は、第３の蒸発要素５４において、低温の外気に比べて十分高温の蓄熱槽４を熱源として、第１の冷媒１５を蒸発させ、これにより熱媒経路３を循環する熱媒３５の加熱を維持することができる。さらに上記第１の冷媒１５を、第１の圧縮機１１と第１の上流側凝縮要素１２Ｕとの間で分流させ、この分流した冷媒を、第１の蒸発要素１４を経由して、第１の下流側凝縮要素１２Ｌと第３の膨張弁５３との間で、第１の冷媒１５と合流させる。したがって第１の圧縮機１１から吐出した高温の第１のガス冷媒１５の一部を、着霜した第１の蒸発要素１４に導入することによって、短時間に除霜することができる。
【００２５】
また上述した２元式ヒートポンプは、高い加熱能力と動作係数とを発揮させつつ、低元側の冷媒を低い温度で蒸発させることができる。したがって上述した２元式ヒートポンプを、冷凍機として利用することができる。図４に示すサイクルを参照しつつ、本発明による２元式冷凍機を具体的に説明する。
【００２６】
すなわち図４に示すサイクルの構成部品は、蓄熱槽４を備えていない点を除いて、図１に示すサイクルと同等であって、低元側及び高元側ヒートポンプの吸熱源及び放熱先が、それぞれ図１に示すサイクルと相違する。なお図１に示すサイクルの構成部品に相当する構成部品については、参照の便宜等のため、図１に示す部品番号に、一律１００を加えた部品番号にしてある。
【００２７】
さて高元側ヒートポンプ１０２が有する第２の蒸発要素１２４は、第２の上流側蒸発要素１２４Ｕと、第２の下流側蒸発要素１２４Ｌとからなり、この第２の下流側蒸発要素は、熱媒経路１０３に設けた上流側放熱器１３２から熱量ＱH2を吸熱し、この熱媒経路を循環する熱媒１３５を予冷する。また低元側ヒートポンプ１０１が有する第１の蒸発要素１１４は、熱媒経路１０３に設けた下流側放熱器１３３から熱量ＱL2を吸熱し、予冷した熱媒１３５をさらに低温に冷却する。そして低温の熱媒１３５は、吸熱器１３４において、室内空気や冷凍庫に収納した食品等から吸熱して、冷房や食品の冷凍等を行なう。
【００２８】
また高元側ヒートポンプ１０２に設けた第２の上流側蒸発要素１２４Ｕは、低元側ヒートポンプ１０１に設けた第１の下流側凝縮要素１１２Ｌから熱量ＱL12を吸熱する。したがって第２の冷媒１２５は、上流側放熱器１３２からの熱量ＱH2と、第１の下流側凝縮要素１１２Ｌからの熱量ＱL12とを吸熱源として蒸発する。なお低元側ヒートポンプ１０１に設けた第１の上流側凝縮要素１１２Ｕ、及び高元側ヒートポンプ１０２に設けた第２の凝縮要素１２２の凝縮熱は、それぞれ外気に放熱する。
【００２９】
上述した２元式冷凍機のサイクルにおいては、低元側のヒートポンプ１０１における蒸発温度を、高元側のヒートポンプ１０２における蒸発温度より、低く設定することができる。したがって高元側のヒートポンプ１０２における蒸発熱によって、まず熱媒経路１０３を循環する熱媒１３５を予冷し、さらに低元側のヒートポンプ１０１における、より低温の蒸発熱により、予冷した熱媒を、更に低温に冷却することができる。
【００３０】
ここで「熱媒経路３、１０３」は、熱媒が循環する閉じた経路に限らず、熱媒が循環しないで一方向に流出する開いた経路であってもよい。「蓄熱槽４」とは、液体、流動体及び固体等の蓄熱媒体を収納した容器であって、蓄熱及び放熱を行なう熱交換器を有するものを意味し、この蓄熱媒体としては、水や油等の液体に限らず固体や気体、及びこれらの間で相変化するものも含む。「第一の圧縮機１１」等の「圧縮機」とは、冷媒ガスを圧縮する全ての機器を意味し、例えばスクロール型、遠心型、往復型、ロータリー型、及びスクリュー型が該当する。また単段式のものに限らず、２段式等の多段式の圧縮機を含む。
【００３１】
「第１の上流側凝縮要素１２Ｕ」等の「凝縮要素」とは、通過する冷媒ガスの有する熱を放熱して液化する配管構造、シェル構造、あるいは容器等を意味し、他の吸熱要素等と組み合わさって熱交換器を形成する。なお吸熱要素としては、冷媒ガスの温度より低温の外気、水、または他の冷媒等が該当する。「第１の膨張弁１３」等の「膨張弁」とは、液化冷媒または気液混合冷媒の圧力を減少させる全ての手段を意味し、例えばノズル、バルブあるいはキャピラリーチューブが該当する。「第１の蒸発要素１４」等の「蒸発要素」とは、熱源から吸熱して、気液混合冷媒に含まれる液冷媒を蒸発させる配管構造、シェル構造、あるいは容器等を意味し、熱源要素と組み合わさって熱交換器を形成する。なお熱源要素としては、冷媒の温度より高温の外気、水、または他の冷媒等が該当する。
【００３２】
「第１の冷媒１５」とは、低温でも密度が大きい冷媒を意味し、例えばＲ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、あるいはＲ４１０が該当する。「第２の冷媒２５」とは、凝縮温度が高くても、凝縮圧力が低い冷媒を意味し、例えばＲ１３４ａ、Ｒ１５２ａ、あるいはＲ６００ａが該当する。「上流側吸熱器３２」等の「吸熱器」とは、他の熱源から吸熱する熱交換器を意味する。「熱媒３５、１３５」等とは、上述した熱媒経路において、吸熱及び放熱を行う流体を意味し、水に限らず油や冷媒等も含む。「分流」とは、１つの冷媒経路を２つの経路に分けて、冷媒の一部を取出すことを意味する。「合流」とは、２つの経路を流れる冷媒を、１つの経路に集合させることを意味する。
【発明の効果】
【００３３】
低元側ヒートポンプの上流側の凝縮要素から放熱される高温の凝縮熱によって、熱媒経路を流れる熱媒を予熱することができる。同時に低元側ヒートポンプの下流側の凝縮要素から放熱される凝縮熱によって、高元側ヒートポンプの冷媒を外気温度に較べて高い温度で蒸発させることが可能となり、高元側ヒートポンプの予熱能力と動作係数とを、大幅に向上させることができる。また高元側ヒートポンプの上流側の凝縮要素から放熱される高温の凝縮熱によって、予熱した熱媒を、高い動作係数の下で、さらに高温に昇温することができる。また高元側ヒートポンプに設けた下流側の凝縮要素から放熱される凝縮熱を、再利用可能な熱源として蓄熱することができる。
【００３４】
蓄熱槽を熱源として、低元側ヒートポンプの冷媒を蒸発させることによって、外気温度が低い場合における低元側ヒートポンプの加熱能力と動作係数とを、大幅に向上させることができ、これにより高元側ヒートポンプの加熱能力及び動作係数も、大幅に向上させることができる。
【００３５】
低温の外気等を熱源として低元側ヒートポンプを作動させた結果、蒸発器に着霜した場合には、低元側ヒートポンプにおいて、蓄熱槽から吸熱する蒸発器に切り替えると共に、着霜した蒸発器に圧縮機から吐出した高温の冷媒ガスの一部を導入することによって、速やかに除霜することが可能となる。さらにこの除霜運転を行なう間も、暖房を中断せずに継続することができる。
【００３６】
高元側ヒートポンプの蒸発熱によって、熱媒経路の熱媒を予冷し、さらに低元側ヒートポンプの低温の蒸発熱によって、予冷した熱媒を冷却することによって、熱媒を更に低温に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】外気から吸熱して、熱媒を昇温しつつ蓄熱する熱力学サイクルを示すモリエ線図である。
【図２】蓄熱槽から吸熱して、熱媒を昇温しつつ蓄熱する熱力学サイクルを示すモリエ線図である。
【図３】蓄熱槽から吸熱して、熱媒を昇温しつつ除霜する熱力学サイクルを示すモリエ線図である。
【図４】高元側の冷凍機によって熱媒を予冷し、低元側の冷凍機によって予冷した熱媒をさらに冷やす熱力学サイクルを示すモリエ線図である。
【図５】上記図１に記載した熱力学サイクルを実現するための構成図である。
【図６】上記図２に記載した熱力学サイクルを実現するための構成図である。
【図７】上記図３に記載した熱力学サイクルを実現するための構成図である。
【図８】上記図４に記載した熱力学サイクルを実現するための構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
次に図５〜図８を参照しつつ、上述した２元式ヒートポンプ、及び２元式冷凍機の構成について詳述する。なお図５、図６、図７及び図８の構成は、上述した図１、図２、図３及び図４のサイクルに、それぞれ対応している。また図５〜図８に示す構成は、いずれも上述した図１、図２、図３及び図４に示した全てサイクルを実施できる構成であって、各サイクルにおいて使用する経路及び構成部品を太線で示し、そのサイクルには使用しない、すなわち他のサイクルで使用する経路及び構成部品については、細線で示してある。したがって図５〜図８において太線で示す構成は、それぞれ単独、あるいは２つ以上の組合せで構成することができる。以下それぞれ太線で示した構成に基づいて、２元式ヒートポンプ等を順次説明する。なお開閉弁Ｖ１２等については、黒く塗潰したものは閉弁状態を、黒く塗潰していないものは開弁状態を示している。
【００３９】
さて図５に示す２元式ヒートポンプは、低元側ヒートポンプ１と、高元側ヒートポンプ２と、熱媒経路３と、蓄熱槽４とを備えている。低元側ヒートポンプ１は、第１の圧縮機１１、第１の四方弁１６、第１の上流側凝縮要素１２Ｕ、開閉弁Ｖ１１、第１の下流側凝縮要素１２Ｌ、開閉弁Ｖ１２、第１の膨張弁１３、第１の蒸発要素１４、開閉弁Ｖ１４、第１の四方弁１６、及びこれらをこの順序で循環する第１の冷媒であるＲ４０４Ａを有している。
【００４０】
また高元側ヒートポンプ２は、第２の圧縮機２１、第２の四方弁２６、第２の上流側凝縮要素２２Ｕ、開閉弁Ｖ２１、第２の下流側凝縮要素２２Ｌ、開閉弁Ｖ２２、第２の膨張弁２３、第２の蒸発要素２４、開閉弁Ｖ２３、開閉弁Ｖ２４、及び、これらをこの順序で循環する第２の冷媒であるＲ１３４ａを有している。熱媒経路３は、ポンプ３１、開閉弁Ｖ３１、上流側吸熱器３２、下流側吸熱器３３、開閉弁Ｖ３２、放熱器３４、及びこれらをこの順序で流れる熱媒３５である水を有している。
【００４１】
なお第１の圧縮機１１及び第２の圧縮機２１は、いずれも電動機で駆動される圧縮機であって、開閉弁Ｖ２１等、及び第１の四方弁１６等は、いずれも図示していない制御装置からの電気信号によって開閉する電磁弁である。また第１の上流側凝縮要素１２Ｕと上流側吸熱器３２とは、相互でシェル・アンド・チューブ型の熱交換器を構成しており、熱量ＱＬ１１を交換する。第１の下流側凝縮要素１２Ｌと第２の蒸発要素２４とは、相互でシェル・アンド・チューブ型の熱交換器を構成しており、熱量ＱＬ１２を交換する。第２の上流側凝縮要素２２Ｕと下流側吸熱器３３とは、相互でシェル・アンド・チューブ型の熱交換器を構成しており、熱量ＱＨ１１を交換する。
【００４２】
第２の下流側凝縮要素２２Ｌは、蓄熱槽４内に設けられており、この蓄熱槽内の液体に熱量ＱＨ１２を蓄熱する。また第１の蒸発要素１４は、送風機によって送られる外気から熱量ＱＬ２を吸熱する。さらに放熱器３４は、循環する高温の熱媒３５たる水の熱量を暖房用空気、あるいは熱媒用の水等に放熱する。
【００４３】
次に図６に示す２元式ヒートポンプは、図５に示す構成において、低元側ヒートポンプ１に設けた第１の膨張弁１３と第１の蒸発要素１４とを、それぞれ別の第１の膨張弁１３−１と第１の蒸発要素１４−１とに変更したものである。なお図６に示す２元式ヒートポンプを、他の図５、図７及び図８に示す構成と関係なく、単独で構成する場合は、第１の膨張弁１３−１と第１の蒸発要素１４−１とが、それぞれ第１の膨張弁１３と第１の蒸発要素１４とに該当する。
【００４４】
すなわち図６に示す２元式ヒートポンプは、低元側ヒートポンプ１において、第１の冷媒１５であるＲ４０４Ａは、第１の下流側凝縮要素１２Ｌを流出した後に、開閉弁Ｖ１４、第１の膨張弁１３−１、第１の蒸発要素１４−１、及び開閉弁Ｖ１５を経由して、第１の圧縮機１１に還流する。ここで第１の蒸発要素１４−１は、蓄熱槽４内に設けられており、この蓄熱槽内の水に蓄熱された熱量ＱＬ２aを吸熱する。
【００４５】
次に図７に示す２元式ヒートポンプは、図５に示す構成において、外気から吸熱する第１の蒸発要素１４に着霜が生じた場合に、熱媒経路３を循環する水の加熱を維持しつつ、この第１の蒸発要素を除霜する構成を示している。さて図７に示す構成は、図５に示した構成に、さらに第３の膨張弁５３と（図６では１３−１に該当する。）第３の蒸発要素５４と（図６では１４−１に該当する。）が追加されている。すなわち上述した図５に示した構成において、低温の外気からの吸熱によって、第１の蒸発要素１４が着霜したときには、第１の下流側凝縮要素１２Ｌを通過した第１の冷媒１５のＲ４０４Ａを、第１の膨張弁１３及び第１の蒸発要素１４に替えて、開閉弁Ｖ１４、第３の膨張弁５３、第３の蒸発要素５４、及び開閉弁Ｖ１５を順次経由して、第１の圧縮機１１に循環させる。また第３の蒸発要素５４は、上記蓄熱槽４内の水に蓄熱された熱量ＱL2bを吸熱する。
【００４６】
さらに第１の冷媒１５のＲ４０４Ａを、第１の圧縮機１１の出口で分流させ、この分流した冷媒Ｒ４０４Ａを、開閉弁Ｖ１６、第１の蒸発要素１４、及び開閉弁Ｖ１７を経由して、第１の下流側凝縮要素１２Ｌから流出する冷媒Ｒ４０４Ａと合流させる。したがって第１の圧縮機１１から吐出した高温の冷媒Ｒ４０４Ａの一部を、着霜した第１の蒸発要素１４に導入することによって、短時間に除霜することができる。
【００４７】
次に図８に示す２元式冷凍機は、図５に示す構成と、蓄熱槽４を備えていない点を除いて同等であって、低元側及び高元側ヒートポンプの吸熱源及び放熱先が、それぞれ図５に示す構成と相違する。なお図５に示す構成部品に相当する構成部品については、参照の便宜等のため、図５に示す部品番号に、一律１００を加えた部品番号にしてある。
【００４８】
さて図８に示す２元式冷凍機は、低元側ヒートポンプ１０１において、第１の冷媒１１５たる冷媒Ｒ４０４Ａは、第１の圧縮機１１１、第１の四方弁１１６、開閉弁Ｖ１３、第１の上流側凝縮要素１１２Ｕ（図５に示す構成では、第１の蒸発要素１４に該当する。）、開閉弁Ｖ１７、第１の下流側凝縮要素１１２Ｌ、第１の膨張弁１１３、第１の蒸発要素１１４（図５に示す構成では、第１の上流側の凝縮要素１２Ｕに該当する。）、及び第１の四方弁１１６をこの順序で経由して、第１の圧縮機１１１に還流する。高元側ヒートポンプ１０２では、第２の冷媒１２５たる冷媒Ｒ１３４ａが、第２の圧縮機１２１、第２の四方弁１２６、第２の凝縮要素１２２、開閉弁Ｖ２５、第２の膨張弁１２３、第２の上流側蒸発要素１２４Ｕ、開閉弁Ｖ２６、開閉弁Ｖ２７、第２の下流側蒸発要素１２４Ｌ（図５に示す構成では、第２の上流側凝縮要素２２Ｕに該当する。）、及び第２の四方弁１２６をこの順序で経由して、第２の圧縮機１２１に還流する。
【００４９】
また熱媒経路１０３は、ポンプ１３１、開閉弁Ｖ３３、上流側放熱器１３２、下流側放熱器１３３、開閉弁Ｖ３４、吸熱器１３４及びこれらをこの順序で流れる熱媒１３５である水を有している。
【００５０】
さて高元側ヒートポンプ１０２が有する第２の下流側蒸発要素１２４Ｌは、熱媒経路１０３の上流側放熱器１３２から熱量ＱH2を吸熱して、熱媒である水を予冷する。低元側ヒートポンプ１０１が有する第１の蒸発要素１１４は、熱媒経路１０３の下流側放熱器１３３から熱量ＱL2を吸熱して、予冷した水をさらに低温に冷却する。なお熱媒経路１０３に設けた吸熱器１３４は、室内あるいは冷凍庫から吸熱し、室内の冷房あるいは食品等の冷凍を行なう。
【００５１】
なお高元側ヒートポンプ１０２が有する第２の上流側蒸発要素１２４Ｕは、低元側ヒートポンプ１０１が有する第１の下流側凝縮要素１１２Ｌから、熱量ＱL12を吸熱する。また低元側ヒートポンプ１０１が有する第１の上流側凝縮要素１１２Ｕ、及び高元側ヒートポンプ１０２が有する第２の凝縮要素１２２における凝縮熱ＱL11及びＱH11は、それぞれ外気に放熱される。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとの加熱能力及び動作係数を、さらに向上させることができるため、ヒートポンプ及び冷凍機に関する産業に広く利用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１、１０１            低元側ヒートポンプ
１１、１１１          第１の圧縮機
１２Ｕ、１１２Ｕ      第１の上流側凝縮要素
１２Ｌ、１１２Ｌ      第１の下流側凝縮要素
１３、１１３          第１の膨張弁
１４、１１４          第１の蒸発要素
１５、１１５          Ｒ４０４Ａ（第１の冷媒）
２、１０２            高元側ヒートポンプ
２１、１２１          第２の圧縮機
１２２                第２の凝縮要素
２２Ｕ                第２の上流側凝縮要素
２２Ｌ                第２の下流側凝縮要素
２３、１２３          第２の膨張弁
２４、１２４          第２の蒸発要素
１２４Ｕ              第２の上流側蒸発要素
１２４Ｌ              第２の下流側蒸発要素
２５、１２５          Ｒ１３４ａ（第２の冷媒）
３、１０３            熱媒経路
３１、１３１          ポンプ
３２、１３２          上流側吸熱器又は上流側放熱器
３３、１３３          下流側吸熱器又は下流側放熱器
３４、１３４          放熱器又は吸熱器
３５、１３５          水（熱媒）
４                    蓄熱槽
５３                  第３の膨張弁
５４                  第３の蒸発要素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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