(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が流れ、吸熱部、圧縮部、放熱部、及び膨張部を含み、外部媒体の熱を汲み上げるヒートポンプを備える第１ユニットと、
第２流体が流れる経路を含み、前記第１流体からの伝達熱を受けた前記第２流体が出力される第２ユニットと、を備え、
前記ヒートポンプは、
前記放熱部からの前記第１流体が少なくとも一時的に貯溜され、気相の前記第１流体が前記圧縮部に供給される中間部と、
前記中間部に向かう前記第１流体及び前記中間部における前記第１流体の少なくとも一方に前記外部媒体からの熱が伝わる補吸熱部と、をさらに含み、
前記圧縮部は、前段圧縮部で圧縮された前記第１流体の全部を後段圧縮部に供給する流体経路を含む多段圧縮構造を有しており、
前記中間部は、導管を介して気相の前記第１流体を前段圧縮部および後段圧縮部における段間の前記流体経路に供給することを特徴とする高温型ヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記中間部に向かう前記第１流体からの熱が、前記圧縮部における前記段間の前記第１流体に伝わる中間熱交換部、をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の高温型ヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記吸熱部と前記補吸熱部との間で、前記外部媒体の温度が異なる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高温型ヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記外部媒体の温度に応じて、前記吸熱部と前記補吸熱部との間で、前記外部媒体の供給先が選択される、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の高温型ヒートポンプシステム。
【請求項５】
前記補吸熱部で使用された前記外部媒体がより下流に位置する別の補吸熱部及び前記吸熱部の一方で使用される、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の高温型ヒートポンプシステム。
【請求項６】
前記補吸熱部は、前記中間部と実質的に一体的に配設される、ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の高温型ヒートポンプシステム。
【請求項７】
前記補吸熱部は、前記中間部の手前において前記中間部から実質的に分けて配設される、ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の高温型ヒートポンプシステム。
【請求項８】
前記外部媒体の熱レベルに応じて、前記第１流体の経路が変化する、ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の高温型ヒートポンプシステム。
【請求項９】
前記外部媒体の熱レベルに応じて、前記ヒートポンプが部分運転可能である、ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の高温型ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温型ヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ヒートポンプシステムにおける熱媒体の出力温度は、４０〜５０℃が一般的である。出力温度が高いシステムとしては、ボイラで燃料を燃焼させて被加熱流体を加熱する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２４９４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ボイラを用いたシステムは、一次エネルギー効率が比較的低い。一方、ヒートポンプを用いたシステムは、熱源から供給される熱量及び温度が不安定であると、熱需要に十分に対応できない状況が生じる可能性がある。
【０００５】
本発明は、安定した性能を達成できる高温型ヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様に従えば、第１流体が流れ、吸熱部、圧縮部、放熱部、及び膨張部を含み、外部媒体の熱を汲み上げるヒートポンプを備える第１ユニットと、第２流体が流れる経路を含み、前記第１流体からの伝達熱を受けた前記第２流体が出力される第２ユニットと、を備え、前記ヒートポンプは、前記放熱部からの前記第１流体が少なくとも一時的に貯溜され、気相の前記第１流体が前記圧縮部に供給される中間部と、前記中間部に向かう前記第１流体及び前記中間部における前記第１流体の少なくとも一方に前記外部媒体からの熱が伝わる補吸熱部と、をさらに含み、前記圧縮部は、前段圧縮部で圧縮された前記第１流体の全部を後段圧縮部に供給する流体経路を含む多段圧縮構造を有しており、前記中間部は、導管を介して気相の前記第１流体を前段圧縮部および後段圧縮部における段間の前記流体経路に供給する高温型ヒートポンプシステムが提供される。
【０００７】
本発明の態様によれば、吸熱部と補吸熱部とを有することにより、熱源レベルの変動に柔軟に対応できる。その結果、高温型ヒートポンプは、安定した性能を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態を示す概略図である。
【図２】第２実施形態を示す概略図である。
【図３】第３実施形態を示す概略図である。
【図４】第４実施形態を示す概略図である。
【図５】第５実施形態を示す概略図である。
【図６】第６実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、第１実施形態にかかる高温型ヒートポンプシステムＳ１を示す概略図である。図１において、ヒートポンプシステムＳ１は、作動流体（作動媒体、第１流体）が流れるヒートポンプ１０（第１ユニット）と、被加熱流体（被加熱媒体、第２流体）の供給ユニット２０（第２ユニット）と、制御装置７０とを備える。制御装置７０は、システム全体を統括的に制御する。システムＳ１の構成は、システムＳ１の設計要求に応じて様々に変更可能である。
【００１１】
本実施形態において、被加熱流体は水である。他の実施形態において、被加熱流体として、他の媒体が適用可能である。被加熱流体の他の例として、高圧水（圧縮水）、低粘性オイル（例えば、シリコンオイル、プロピレングリコールなど）などを使用することができる。
【００１２】
本実施形態において、供給ユニット２０は被加熱流体が流れる経路（導管２２）を有し、供給源から供給ユニット２０に被加熱流体が供給される。供給ユニット２０からの被加熱流体（水）の出力温度（取り出し温度）は、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、又は１５０℃以上である。例えば、大気圧下で水が１００℃以上に加熱されることにより、供給ユニット２０から１００℃以上の蒸気が出力される。なお、本実施形態において、必要に応じて、低い出力温度（７０℃未満）の被加熱流体を取り出すことが可能である。
【００１３】
ヒートポンプ１０は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体（外部媒体）から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少ないという利点を有する。
【００１４】
本実施形態において、ヒートポンプ１０は、吸熱部１１、圧縮部１２、放熱部１３、及び膨張部１４を有し、これらは導管を介して接続されている。本実施形態において、ヒートポンプ１０はさらに、中間部４０（第１中間部４０Ａ、第２中間部４０Ｂ、第３中間部４０Ｃ）と、中間熱交換部４４と、補吸熱部６０とを含む。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
【００１５】
吸熱部１１では、作動流体がサイクル外の熱源（外部媒体）の熱を吸収する。本実施形態において、吸熱部１１は、外部装置９０の放熱管９１Ａに熱的に接続され、その内部で作動流体が蒸発する蒸発器を含む。すなわち、吸熱部１１は、蒸発器としての機能を有する。放熱管９１Ａを流れる媒体（冷媒など）の熱がヒートポンプ１０の吸熱部１１に吸収される。熱源として、外部装置９０の排熱（温排熱）を利用することが可能である。吸熱部１１が大気など他の熱源の熱を吸収する構成とすることもできる。
【００１６】
本実施形態において、吸熱部１１は、作動流体の液相が存在する領域と、作動流体の気相が存在する領域とを有する。外部装置９０の放熱管９１Ａは液相の領域に配置される。代替的又は追加的に、吸熱部１１が散液構造を有することができる。
【００１７】
圧縮部１２は、圧縮機等によって作動流体を圧縮する。この際、通常、作動流体の温度が上がる。圧縮部１２は、作動流体を単段又は複数段に圧縮する構造を有する。圧縮の段数は、システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部１２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。圧縮部１２の圧縮比（圧力比）は、システムＳ１の仕様に応じて設定される。
【００１８】
本実施形態において、圧縮部１２は、第１圧縮部１２Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、第３圧縮部１２Ｃ、及び第４圧縮部１２Ｄを含む４段圧縮構造を有する。ヒートポンプ１０に使用される作動流体として、フロン系媒体（ＨＦＣ  ２４５ｆａ、Ｒ１３４ａなど）、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体がシステムＳ１の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。本実施形態において、作動流体としてＲ１３４ａを使用する場合、第１圧縮部１２Ａ及び第２圧縮部１２Ｂは、吸熱部１１からの低圧のＲ１３４ａを中間圧に昇圧する。第３圧縮部１２Ｃ及び第４圧縮部１２Ｄは、第２圧縮部１２ＢからのＲ１３４ａを高圧（超臨界圧領域を含む）に昇圧する。なお、本発明は、作動流体の少なくとも一部が超臨界状態になる仕様、及び作動流体が超臨界状態にならない仕様の双方が適用可能である。
【００１９】
放熱部１３では、主経路１５内を流れる作動流体の熱をサイクル外の熱源に与える。本実施形態において、放熱部１３は、供給ユニット２０に熱的に接続され、その内部で作動流体が放熱し、液相となる。
【００２０】
本実施形態において、作動流体としてＲ１３４ａを使用する場合、超臨界状態及び液相のＲ１３４ａと供給ユニット２０を流れる水との間で熱交換が行われ、供給ユニット２０から高温の水又は蒸気が出力される。
【００２１】
本実施形態において、放熱部１３は、気相（または超臨界状態）の作動流体が存在する領域と、液相の作動流体が存在する領域とを有する。本実施形態において、供給ユニット２０の導管２２は、両領域にわたって配置される。代替的又は追加的に、放熱部１３が散液構造を有することができる。
【００２２】
膨張部１４は、減圧弁またはタービン等によって作動流体を膨張させる。この際、通常、作動流体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部１４から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部１２に供給してもよい。
【００２３】
本実施形態において、膨張部１４は、高圧又は中間圧膨張弁２４（膨張弁２４Ａ、膨張弁２４Ｂ、膨張弁２４Ｃ）と低圧膨張弁２５とを含む。膨張弁２４Ａは、放熱部１３と第１中間部４０Ａとを流体的に接続する導管２６Ａ上に配置される。より具体的には、膨張弁２４Ａの配設位置は、導管２６Ａ上であって、第１中間部４０Ａにおける作動流体の入口の手前である。膨張弁２４Ａは、放熱部１３からの高圧の作動流体を中間圧に減圧する。同様に、膨張弁２４Ｂは、第１中間部４０Ａと第２中間部４０Ｂとを流体的に接続する導管２６Ｂ上に配置され、膨張弁２４Ｃは、第２中間部４０Ｂと第３中間部４０Ｃとを流体的に接続する導管２６Ｃ上に配置される。膨張弁２４Ａ−２４Ｃは、作動流体の流量を制御することもできる。
【００２４】
膨張弁２５は、第３中間部４０Ｃと吸熱部１１とを流体的に接続する導管２７上に配置され、第３中間部４０Ｃからの作動流体を低圧に減圧する。より具体的には、膨張弁２５の配設位置は、導管２７上であって、吸熱部１１における作動流体の入口の手前である。膨張弁２５は、作動流体の流量を制御することもできる。
【００２５】
中間部４０Ａ−４０Ｃは、中間圧に減圧された作動流体を気相と液相に分離するとともに、作動流体を少なくとも一時的に貯溜する。第１中間部４０Ａからの気相の作動流体が導管２３Ａを介して第３圧縮部１２Ｃと第４圧縮部１２Ｄとの段間に注入される。第２中間部４０Ｂからの気相の作動流体が導管２３Ｂを介して第２圧縮部１２Ｂと第３圧縮部１２Ｃとの段間に注入される。第３中間部４０Ｃからの気相の作動流体が導管２３Ｃを介して第１圧縮部１２Ａと第２圧縮部１２Ｂとの段間に注入される。
【００２６】
中間熱交換部４４は、比較的高温を有する作動流体の熱の一部を、圧縮部１２の途中の作動流体に与えるためのものである。中間熱交換部４４において、放熱部１３からの作動流体と、圧縮部１２の途中（第２圧縮部１２Ｂと第３圧縮部１２Ｃとの段間）の作動流体との間で熱交換が行われる。
【００２７】
本実施形態において、中間熱交換部４４は、圧縮部１２の段間部とヒートポンプ１０の主経路１５の導管の一部（放熱部１３と第１中間部４０Ａとの間の導管３０の一部）とが熱的に接続された構成を有する。中間熱交換部４４は、高温の流体（圧縮部１２内の作動流体）と低温の流体（導管３０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、中間熱交換部４４は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。
【００２８】
中間熱交換部４４は、プレート式熱交換構造、フィン・アンド・チューブ式熱交換構造など、様々な熱交換構造を適用可能である。
【００２９】
補吸熱部６０は、中間部４０に向かう作動流体及び中間部４０における作動流体の少なくとも一方に外部媒体からの熱を伝えるためのものである。換言すると、吸熱部１１とは別の場所である補吸熱部６０において、作動流体がサイクル外の熱源（外部媒体）の熱を吸収することができる。本実施形態において、補吸熱部６０は、第１中間部４０Ａと第２中間部４０Ｂとの間の経路上において、膨張弁２４Ｂと第２中間部４０Ｂとの間に配される。
【００３０】
本実施形態において、補吸熱部６０は、外部装置９０の放熱管９１Ｂ（外部装置９０の導管の一部）に熱的に接続される導管（ヒートポンプ１０の主経路の導管の一部）を含む。例えば、両導管が互いに接触あるいは隣接して配置される。本実施形態において、補吸熱部６０と放熱管９１Ｂとを含んで熱交換構造が構成される。その熱交換構造において、外部装置９０の放熱管９１Ｂを流れる外部媒体と、補吸熱部６０を流れる第１中間部４０Ａからの作動流体とが熱交換する。補吸熱部６０を含む熱交換構造は、低温の流体と高温の流体とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、補吸熱部６０を含む熱交換構造は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有することができる。
【００３１】
追加的に、外部装置９０からの外部媒体の経路は、外部媒体の温度及び／又は流量を計測するセンサと、外部媒体の供給ルートを切り替えるバルブを有することができる。例えば、制御装置７０は、センサの計測結果に基づいて、外部媒体の供給先を吸熱部１１（放熱管９１Ａ）と補吸熱部６０（放熱管９１Ｂ）との間で選択することができる。
【００３２】
上記構成のヒートポンプシステムＳ１において、ヒートポンプ１０が運転されると、ヒートポンプ１０から供給された熱により供給ユニット２０を流れる水が加熱され、その結果、高温の水又は蒸気が供給ユニット２０から出力される。
【００３３】
以下、ヒートポンプシステムＳ１の動作について説明する。
ヒートポンプ１０において、圧縮部１２が駆動される。第１圧縮部１２Ａは、吸熱部１１からの作動流体を圧縮する。第２圧縮部１２Ｂは、第１圧縮部１２Ａからの作動流体及び第３中間部４０Ｃからの作動流体を圧縮する。第３圧縮部１２Ｃは、第２圧縮部１２Ｂからの作動流体及び第２中間部４０Ｂからの作動流体を圧縮する。第４圧縮部１２Ｄは、第３圧縮部１２Ｃからの作動流体及び第１中間部４０Ａからの作動流体を圧縮する。
【００３４】
圧縮部１２からの圧縮された作動流体は、放熱部１３に供給される。放熱部１３において、作動流体からの熱が供給ユニット２０の導管２２を流れる被加熱流体（水）に伝わる。供給ユニット２０から、高温に昇温した水又は蒸気が出力される。作動流体と被加熱媒体との間の熱交換に伴い、放熱部１３の内部において、作動流体の一部が液相になる。
【００３５】
放熱部１３からの液相の作動流体は、中間熱交換部４４を流れる。中間熱交換部４４において、比較的高温を有する放熱部１３からの作動流体からの熱が、圧縮部１２の段間における作動流体に伝わる。
【００３６】
その結果、圧縮部１２の段間（第３圧縮部１２Ｃの入口）に注入される作動流体が加熱される。注入流体及び導入流体の温度（圧縮部１２における作動流体の入口温度）が上昇すると、圧縮部１２からの作動流体の出力温度も上昇する。したがって、本実施形態によれば、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。
【００３７】
放熱部１３からの液相の作動流体は、膨張弁２４Ａにより中間圧まで減圧される。膨張弁２４Ａの開度が制御されることにより、放熱部１３の液面レベルが制御可能である。
【００３８】
膨張弁２４Ａからの減圧された作動流体は、第１中間部４０Ａに流入する。第１中間部４０Ａにおいて、作動流体が気相及び液相に分離される。第１中間部４０Ａからの気相の作動流体は、導管２３Ａを介して、圧縮部１２の途中（第３圧縮部１２Ｃと第４圧縮部１２Ｄとの段間）に供給される。
【００３９】
第１中間部４０Ａからの作動流体は、膨張弁２４Ｂによりさらに減圧される。膨張弁２４Ｂの開度が制御されることにより、第１中間部４０Ａの液面レベルが制御可能である。
【００４０】
第１中間部４０Ａからの減圧された作動流体は、補吸熱部６０を流れる。補吸熱部６０において、サイクル外からの媒体（外部媒体）の熱が作動流体に伝わる。作動流体は、放熱管９１Ｂを流れる外部媒体の熱を吸収する。サイクル外の媒体と作動流体との間の熱交換に伴い、補吸熱部６０の内部において、作動流体の一部が蒸発する。補吸熱部６０での熱の吸収により、作動流体の蒸発が促進される。換言すると、補吸熱部６０は、その内部で作動流体が蒸発する蒸発器としての機能を有する。
【００４１】
補吸熱部６０からの作動流体は、第２中間部４０Ｂに流入する。第２中間部４０Ｂにおいて、作動流体が気相及び液相に分離される。第２中間部４０Ｂからの気相の作動流体は、導管２３Ｂを介して、圧縮部１２の途中（第２圧縮部１２Ｂと第３圧縮部１２Ｃとの段間）に供給される。
【００４２】
第２中間部４０Ｂからの作動流体は、膨張弁２４Ｃによりさらに減圧される。膨張弁２４Ｃの開度が制御されることにより、第２中間部４０Ｂの液面レベルが制御可能である。
【００４３】
第２中間部４０Ｂからの減圧された作動流体は、第３中間部４０Ｃに流入する。第３中間部４０Ｃにおいて、作動流体が気相及び液相に分離される。第３中間部４０Ｃからの気相の作動流体は、導管２３Ｃを介して、圧縮部１２の途中（第１圧縮部１２Ａと第２圧縮部１２Ｂとの段間）に供給される。
【００４４】
第３中間部４０Ｃからの液相の作動流体は、膨張弁２５により低圧まで減圧される。膨張弁２５の開度が制御されることにより、第３中間部４０Ｃの液面レベルが制御可能である。
【００４５】
第３中間部４０Ｃからの減圧された作動流体は、吸熱部１１に供給される。吸熱部１１において、サイクル外からの媒体（外部媒体）の熱が作動流体に伝わる。サイクル外の媒体と作動流体との間の熱交換に伴い、吸熱部１１の内部において、作動流体の一部が蒸発する。吸熱部１１からの気相の作動流体は、圧縮部１２に供給される。このようにして、上述のサイクルが繰り返される。
【００４６】
本実施形態において、作動流体として、Ｒ１３４ａを使用した場合には、放熱部１３において、Ｒ１３４ａからの熱が供給ユニット２０内の被加熱流体（水）に伝わり、１３０℃程度の高温の水又は蒸気が生成可能である。Ｒ１３４ａ（ＨＦＣ１３４ａ）の臨界点の温度は、水の標準沸点である１００℃の近傍であり、圧縮部１２からのＲ１３４ａの出力温度は１５０℃程度に設定可能である。そのため、Ｒ１３４ａは、被加熱媒体が水であるヒートポンプサイクルの作動流体として好適である。また、圧縮部１２からのＲ１３４ａの出力温度が１５０℃程度に設定されることにより、その圧力が５ＭＰａ程度に比較的低く抑えられる。これは、装置コスト低減の上で有利である。
【００４７】
本実施形態において、中間熱交換部４４において、比較的高温を有する放熱部１３からの作動流体からの熱が、圧縮部１２の段間を流れる作動流体に伝わる。その結果、圧縮部１２からの作動流体の出力温度が上昇する。したがって、本実施形態によれば、作動流体の余剰熱を有効利用し、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。
【００４８】
本実施形態において、圧縮部１２の段間での作動流体の加熱は、作動流体の余剰熱のリカバーに効果的である。余剰熱のリカバーは、エネルギー効率としての成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）の向上に有利である。
【００４９】
また、本実施形態において、中間熱交換部４４において、放熱部１３からの作動流体の熱が奪われるから、膨張弁２４Ａ及び第１中間部４０Ａに対する作動流体の入力温度が降下する。
【００５０】
ここで、外部装置９０の排熱（温排熱）を利用する場合、温度レベルが異なる複数の排熱が外部装置９０から供給される可能性がある。あるいは、その排熱の温度や流量が変動する可能性がある。こうした熱源レベル変動は、ヒートポンプシステムＳ１からの出力温度の変動など、運転の不安定を招く可能性がある。
【００５１】
本実施形態において、吸熱部１１と補吸熱部６０との間で、熱源である外部媒体の温度を異ならせることが可能である。外部装置９０からの外部媒体は、外部媒体の温度に適した、複数の吸熱部（吸熱部１１、補吸熱部６０）のうちの１つに選択的に供給され得る。これにより、外部媒体の熱が有効利用される。その結果、ヒートポンプシステムＳ１が安定的に運転され得る。
【００５２】
例えば、本実施形態において、吸熱部１１に対する外部媒体の温度に比べて補吸熱部６０に対する外部媒体の温度を高くすることができる。一例において、吸熱部１１に対する外部媒体の温度が約３５℃、補吸熱部６０に対する外部媒体の温度が約５５℃、システムＳ１の出力温度が約１３０−１４０℃である。
【００５３】
温度レベルの異なる複数の外部媒体は、混ぜて供給するのに比べて、分けて供給するほうが熱効率的に有利である。追加的又は代替的に、温度レベルの異なる複数の外部媒体を混ぜることができる。また、互いに近い温度を有する複数の外部媒体を混ぜて供給し、互いに離れた温度を有する複数の外部媒体を分けて供給することができる。
【００５４】
このように、本実施形態において、ヒートポンプシステムＳ１が吸熱部を複数有することにより、その温度レベルに応じた外部媒体の供給先を選択することが可能となり、その結果、熱源レベルの変動に柔軟に対応できる。すなわち、本実施形態において、ヒートポンプシステムＳ１は、熱源レベルについて、高い汎用性を有する。
【００５５】
また、本実施形態において、ヒートポンプシステムＳ１は、熱源レベルに応じて、部分運転と全運転の切り替えが可能である。本実施形態において、ヒートポンプシステムＳ１は、比較的高温（例えば約５５℃）を有する外部媒体の単位時間あたりの流量が所要量以上であるとき、部分運転可能である。この部分運転において、比較的高温を有する外部媒体は放熱管９１Ｂを流れる。すなわち、補吸熱部６０に対して比較的高温の外部媒体が供給され、一方、吸熱部１１に対して比較的低温（例えば約３５℃）の外部媒体が供給されてもよく供給されなくてもよい。また、部分運転において、作動流体は、補吸熱部６０、第２中間部４０Ｂ、第３圧縮部１２Ｃ、第４圧縮部１２Ｄ、放熱部１３、中間熱交換部４４、膨張弁２４Ａ、第１中間部４０Ａ、及び膨張弁２４Ｂ、の順に実質的に流れる。
【００５６】
部分運転において、ヒートポンプシステムＳ１における第１圧縮部１２Ａ及び第２圧縮部１２Ｂを停止することができる。その結果、部分運転は、高いＣＯＰを得ることができる。システムＳ１の一試算例において、全運転（４段圧縮、４段サイクル）時のＣＯＰが２．６６、部分運転（２段圧縮、２段サイクル）時のＣＯＰが３．７７である。この試算例において、比較的高温（例えば約５５℃）の外部媒体が所要量より少なく供給されるとともに、比較的低温（例えば約３５℃）の外部媒体も供給されるとき、２．６６から３．７７の間のＣＯＰを得ることができる。
【００５７】
追加的又は代替的に、補吸熱部６０及び吸熱部１１の一方で使用された外部媒体を他方に使用することができる。例えば、補吸熱部６０で熱吸収されて温度降下した外部媒体を吸熱部１１に供給することができる。この場合、放熱管９１Ｂの出口を放熱管９１Ａの入口に流体的に接続できる。
【００５８】
本実施形態において、補吸熱部６０を含む吸熱部の数は、２である。他の実施形態において、吸熱部の数を、３、４、５、６、７、８、９、又は１０以上にできる。追加的又は代替的に、補吸熱部６０を、他の位置に配置することができる。
【００５９】
図２は、第２実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ２を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００６０】
図２に示すように、ヒートポンプシステムＳ２は、第２中間部４０Ｂと第３中間部４０Ｃとの間に配置される補吸熱部６０を有する。すなわち、このヒートポンプシステムＳ２において、図１のヒートポンプシステムＳ１に対して、補吸熱部６０の配設位置が異なる。
【００６１】
補吸熱部６０は、中間部４０に向かう作動流体及び中間部４０における作動流体の少なくとも一方に外部媒体からの熱を伝えるためのものである。換言すると、吸熱部１１とは別の場所である補吸熱部６０において、作動流体がサイクル外の熱源（外部媒体）の熱を吸収することができる。本実施形態において、補吸熱部６０は、第２中間部４０Ｂと第３中間部４０Ｃとの間の経路上において、膨張弁２４Ｃと第３中間部４０Ｃとの間に配される。
【００６２】
本実施形態において、補吸熱部６０は、外部装置９０の放熱管９１Ｂ（外部装置９０の導管の一部）に熱的に接続される導管（ヒートポンプ１０の主経路の導管の一部）を含む。例えば、両導管が互いに接触あるいは隣接して配置される。本実施形態において、補吸熱部６０と放熱管９１Ｂとを含んで熱交換構造が構成される。その熱交換構造において、外部装置９０の放熱管９１Ｂを流れる外部媒体と、補吸熱部６０を流れる第２中間部４０Ｂからの作動流体とが熱交換する。補吸熱部６０を含む熱交換構造は、低温の流体と高温の流体とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、補吸熱部６０を含む熱交換構造は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有することができる。放熱管９１Ｂを流れる外部媒体（冷媒など）の熱が補吸熱部６０に伝わる。
【００６３】
本実施形態において、補吸熱部６０に対して比較的高温（例えば約５５℃）の外部媒体が選択的に供給され、吸熱部１１に対して比較的低温（例えば約３５℃）の外部媒体が選択的に供給される。
【００６４】
追加的又は代替的に、補吸熱部６０及び吸熱部１１の一方で使用された外部媒体を他方に使用することができる。例えば、補吸熱部６０で熱吸収されて温度降下した外部媒体を吸熱部１１に供給することができる。この場合、放熱管９１Ｂの出口を放熱管９１Ａの入口に流体的に接続できる。
【００６５】
本実施形態においても、ヒートポンプシステムＳ２が吸熱部を複数有することにより、その温度レベルに応じた外部媒体の供給先を選択することが可能となり、その結果、熱源レベルの変動に柔軟に対応できる。
【００６６】
図３は、第３実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ３を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００６７】
図３に示すように、ヒートポンプシステムＳ３は、第１中間部４０Ａと第２中間部４０Ｂとの間に配置される第１補吸熱部６０Ａと、第２中間部４０Ｂと第３中間部４０Ｃとの間に配置される第２補吸熱部６０Ｂとを有する。すなわち、本実施形態において、補吸熱部６０Ａ，６０Ｂ、及び吸熱部１１を含む吸熱部の数は、３である。
【００６８】
補吸熱部６０Ａ−６０Ｂは、中間部４０に向かう作動流体及び中間部４０における作動流体の少なくとも一方に外部媒体からの熱を伝えるためのものである。換言すると、吸熱部１１とは別の場所である補吸熱部６０Ａ−６０Ｂにおいて、作動流体がサイクル外の熱源（外部媒体）の熱を吸収することができる。本実施形態において、補吸熱部６０Ａは、第１中間部４０Ａと第２中間部４０Ｂとの間の経路上において、膨張弁２４Ｂと第２中間部４０Ｂとの間に配される。補吸熱部６０Ｂは、第２中間部４０Ｂと第３中間部４０Ｃとの間の経路上において、膨張弁２４Ｃと第３中間部４０Ｃとの間に配される。
【００６９】
本実施形態において、補吸熱部６０Ａは、外部装置９０の放熱管９１Ｂ（外部装置９０の導管の一部）に熱的に接続される導管（ヒートポンプ１０の主経路の導管の一部）を含む。例えば、両導管が互いに接触あるいは隣接して配置される。本実施形態において、補吸熱部６０Ａと放熱管９１Ｂとを含んで熱交換構造が構成される。その熱交換構造において、外部装置９０の放熱管９１Ｂを流れる外部媒体と、補吸熱部６０Ａを流れる第１中間部４０Ａからの作動流体とが熱交換する。補吸熱部６０Ａを含む熱交換構造は、低温の流体と高温の流体とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、補吸熱部６０Ａを含む熱交換構造は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有することができる。同様に、補吸熱部６０Ｂは、外部装置９０の放熱管９１Ｃに熱的に接続される導管（ヒートポンプ１０の主経路の導管の一部）を含む。放熱管９１Ｂ，９１Ｃを流れる外部媒体（冷媒など）の熱が補吸熱部６０Ａ,６０Ｂに伝わる。
【００７０】
本実施形態において、第１補吸熱部６０Ａに対して第１高温（例えば約５５℃）の外部媒体が選択的に供給され、第２補吸熱部６０Ｂに対して第２高温（例えば約４５℃）の外部媒体が選択的に供給され、吸熱部１１に対して比較的低温（例えば約３５℃）の外部媒体が選択的に供給される。
【００７１】
追加的又は代替的に、第１補吸熱部６０Ａ、第２補吸熱部６０Ｂ、及び吸熱部１１の１つで使用された外部媒体を別の少なくとも１つに使用することができる。すなわち、１つの補吸熱部で使用された外部媒体を、より下流に位置する別の補吸熱部で使用することができる。例えば、第１補吸熱部６０Ａで熱吸収されて温度降下した外部媒体を第２補吸熱部６０Ｂに供給することができる。さらに、第２補吸熱部６０Ｂで熱吸収されて温度降下した外部媒体を吸熱部１１に供給することができる。この場合、放熱管９１Ｂの出口を放熱管９１Ｃの入口に流体的に接続できる。また、放熱管９１Ｃの出口を放熱管９１Ａの入口に流体的に接続できる。
【００７２】
本実施形態においても、ヒートポンプシステムＳ３が吸熱部を複数有することにより、その温度レベルに応じた外部媒体の供給先を選択することが可能となり、その結果、熱源レベルの変動に柔軟に対応できる。
【００７３】
図４は、第４実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ４を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００７４】
図４に示すように、ヒートポンプシステムＳ４は、放熱部１３と第１中間部４０Ａとの間に配置される第１補吸熱部６０Ａと、第１中間部４０Ａと第２中間部４０Ｂとの間に配置される第２補吸熱部６０Ｂと、第２中間部４０Ｂと第３中間部４０Ｃとの間に配置される第３補吸熱部６０Ｃと、を有する。すなわち、本実施形態において、補吸熱部６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ、及び吸熱部１１を含む吸熱部の数は、４である。
【００７５】
補吸熱部６０Ａ−６０Ｃは、中間部４０に向かう作動流体及び中間部４０における作動流体の少なくとも一方に外部媒体からの熱を伝えるためのものである。換言すると、吸熱部１１とは別の場所である補吸熱部６０Ａ−６０Ｃにおいて、作動流体がサイクル外の熱源（外部媒体）の熱を吸収することができる。本実施形態において、補吸熱部６０Ａは、放熱部１３（中間熱交換部４４）と第１中間部４０Ａとの間の経路上において、膨張弁２４Ａと第１中間部４０Ａとの間に配される。補吸熱部６０Ｂは、第１中間部４０Ａと第２中間部４０Ｂとの間の経路上において、膨張弁２４Ｂと第２中間部４０Ｂとの間に配される。補吸熱部６０Ｃは、第２中間部４０Ｂと第３中間部４０Ｃとの間の経路上において、膨張弁２４Ｃと第３中間部４０Ｃとの間に配される。
【００７６】
本実施形態において、補吸熱部６０Ａは、外部装置９０の放熱管９１Ｂ（外部装置９０の導管の一部）に熱的に接続される導管（ヒートポンプ１０の主経路の導管の一部）を含む。例えば、両導管が互いに接触あるいは隣接して配置される。本実施形態において、補吸熱部６０Ａと放熱管９１Ｂとを含んで熱交換構造が構成される。その熱交換構造において、外部装置９０の放熱管９１Ｂを流れる外部媒体と、補吸熱部６０Ａを流れる第１中間部４０Ａからの作動流体とが熱交換する。補吸熱部６０Ａを含む熱交換構造は、低温の流体と高温の流体とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、補吸熱部６０Ａを含む熱交換構造は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有することができる。同様に、補吸熱部６０Ｂは、外部装置９０の放熱管９１Ｃに熱的に接続される導管（ヒートポンプ１０の主経路の導管の一部）を含む。また、補吸熱部６０Ｃは、外部装置９０の放熱管９１Ｄに熱的に接続される導管（ヒートポンプ１０の主経路の導管の一部）を含む。放熱管９１Ｂ，９１Ｃ，９１Ｄを流れる外部媒体（冷媒など）の熱が補吸熱部６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃに伝わる。
【００７７】
本実施形態において、第１補吸熱部６０Ａに対して第１高温（例えば約９０℃）の外部媒体が選択的に供給され、第２補吸熱部６０Ｂに対して第２高温（例えば約７０℃）の外部媒体が選択的に供給される。また、第３補吸熱部６０Ｃに対して第３高温（例えば約５０℃）の外部媒体が選択的に供給され、吸熱部１１に対して比較的低温（例えば約３５℃）の外部媒体が選択的に供給される。
【００７８】
追加的又は代替的に、第１補吸熱部６０Ａ、第２補吸熱部６０Ｂ、第３補吸熱部６０Ｃ、及び吸熱部１１の１つで使用された外部媒体を別の少なくとも１つに使用することができる。例えば、第１補吸熱部６０Ａで熱吸収されて温度降下した外部媒体を第２補吸熱部６０Ｂに供給することができる。さらに、第２補吸熱部６０Ｂで熱吸収されて温度降下した外部媒体を第３補吸熱部６０Ｃに供給することができる。またさらに、第３補吸熱部６０Ｃで熱吸収されて温度降下した外部媒体を吸熱部１１に供給することができる。この場合、放熱管９１Ｂの出口を放熱管９１Ｃの入口に流体的に接続できる。また、放熱管９１Ｃの出口を放熱管９１Ａの入口に流体的に接続できる。また、放熱管９１Ｄの出口を放熱管９１Ａの入口に流体的に接続できる。
【００７９】
本実施形態においても、ヒートポンプシステムＳ４が吸熱部を複数有することにより、その温度レベルに応じた外部媒体の供給先を選択することが可能となり、その結果、熱源レベルの変動に柔軟に対応できる。
【００８０】
図５は、第５実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ５を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００８１】
図５に示すように、ヒートポンプシステムＳ５は、第２中間部４０Ｂが補吸熱部６０としての機能を有する。本実施形態において、補吸熱部６０、及び吸熱部１１を含む吸熱部の数は、２である。
【００８２】
補吸熱部６０は、中間部４０における作動流体に外部媒体からの熱を伝えるためのものである。換言すると、吸熱部１１とは別の場所である補吸熱部６０において、作動流体がサイクル外の熱源（外部媒体）の熱を吸収することができる。
【００８３】
本実施形態において、補吸熱部６０は、作動流体を少なくとも一時的に貯溜する第２中間部４０Ｂの容器を含む。容器内には、外部装置９０の放熱管９１Ｂ（外部装置９０の導管の一部）が配される。本実施形態において、補吸熱部６０と放熱管９１Ｂとを含んで熱交換構造が構成される。その熱交換構造において、外部装置９０の放熱管９１Ｂを流れる外部媒体と、補吸熱部６０（第２中間部４０Ｂ）における作動流体とが熱交換する。放熱管９１Ｂを流れる外部媒体（冷媒など）の熱が補吸熱部６０（第２中間部４０Ｂ）における作動流体に伝わる。
【００８４】
本実施形態において、補吸熱部６０に対して比較的高温（例えば約５５℃）の外部媒体が選択的に供給され、吸熱部１１に対して比較的低温（例えば約３５℃）の外部媒体が選択的に供給される。
【００８５】
追加的又は代替的に、補吸熱部６０及び吸熱部１１の一方で使用された外部媒体を他方に使用することができる。例えば、補吸熱部６０で熱吸収されて温度降下した外部媒体を吸熱部１１に供給することができる。この場合、放熱管９１Ｂの出口を放熱管９１Ａの入口に流体的に接続できる。
【００８６】
本実施形態においても、ヒートポンプシステムＳ５が吸熱部を複数有することにより、その温度レベルに応じた外部媒体の供給先を選択することが可能となり、その結果、熱源レベルの変動に柔軟に対応できる。
【００８７】
なお、図１−図４のシステムＳ１−Ｓ４は中間部４０から分離したセパレート型の補吸熱部６０を有するのに対して、図５のシステムＳ５は中間部４０と一体的な補吸熱部６０を有する。一体型の補吸熱部６０はシステム構成のコンパクト化に有利である。
【００８８】
図６は、第６実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ６を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００８９】
図６に示すように、ヒートポンプシステムＳ６は、第１中間部４０Ａ、第２中間部４０Ｂ、及び第３中間部４０Ｃに対して、それぞれ一体型の第１補吸熱部６０Ａ、第２補吸熱部６０Ｂ、及び第３補吸熱部６０Ｃを有する。本実施形態において、補吸熱部６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ、及び吸熱部１１を含む吸熱部の数は、４である。
【００９０】
補吸熱部６０Ａ−６０Ｃは、中間部４０Ａ−４０Ｃにおける作動流体に外部媒体からの熱を伝えるためのものである。換言すると、吸熱部１１とは別の場所である補吸熱部６０Ａ−６０Ｃにおいて、作動流体がサイクル外の熱源（外部媒体）の熱を吸収することができる。
【００９１】
本実施形態において、第１補吸熱部６０Ａは、作動流体を少なくとも一時的に貯溜する第１中間部４０Ａの容器を含む。容器内には、外部装置９０の放熱管９１Ｂ（外部装置９０の導管の一部）が配される。本実施形態において、第１補吸熱部６０Ａと放熱管９１Ｂとを含んで熱交換構造が構成される。その熱交換構造において、外部装置９０の放熱管９１Ｂを流れる外部媒体と、第１補吸熱部６０Ａ（第１中間部４０Ａ）における作動流体とが熱交換する。同様に、第２補吸熱部６０Ｂは、第２中間部４０Ｂの容器を含む。第３補吸熱部６０Ｃは、第３中間部４０Ｃの容器を含む。放熱管９１Ｂ，９１Ｃ，９１Ｄを流れる外部媒体（冷媒など）の熱が補吸熱部６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ（中間部４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ）における作動流体に伝わる。
【００９２】
本実施形態において、第１補吸熱部６０Ａに対して第１高温（例えば約９０℃）の外部媒体が選択的に供給され、第２補吸熱部６０Ｂに対して第２高温（例えば約７０℃）の外部媒体が選択的に供給される。また、第３補吸熱部６０Ｃに対して第３高温（例えば約５０℃）の外部媒体が選択的に供給され、吸熱部１１に対して比較的低温（例えば約３５℃）の外部媒体が選択的に供給される。
【００９３】
追加的又は代替的に、第１補吸熱部６０Ａ、第２補吸熱部６０Ｂ、第３補吸熱部６０Ｃ、及び吸熱部１１の１つで使用された外部媒体を別の少なくとも１つに使用することができる。例えば、第１補吸熱部６０Ａで熱吸収されて温度降下した外部媒体を第２補吸熱部６０Ｂに供給することができる。さらに、第２補吸熱部６０Ｂで熱吸収されて温度降下した外部媒体を第３補吸熱部６０Ｃに供給することができる。またさらに、第３補吸熱部６０Ｃで熱吸収されて温度降下した外部媒体を吸熱部１１に供給することができる。この場合、放熱管９１Ｂの出口を放熱管９１Ｃの入口に流体的に接続できる。また、放熱管９１Ｃの出口を放熱管９１Ａの入口に流体的に接続できる。また、放熱管９１Ｄの出口を放熱管９１Ａの入口に流体的に接続できる。
【００９４】
本実施形態においても、ヒートポンプシステムＳ６が吸熱部を複数有することにより、その温度レベルに応じた外部媒体の供給先を選択することが可能となり、その結果、熱源レベルの変動に柔軟に対応できる。
【００９５】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００９６】
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６…ヒートポンプシステム、１０…ヒートポンプ（第１ユニット）、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１２Ａ…第１圧縮部、１２Ｂ…第２圧縮部、１２Ｃ…第３圧縮部、１２Ｄ…第４圧縮部、１３…放熱部、１４…膨張部、１５…主経路、２０…供給ユニット（第２ユニット）、２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…膨張弁（膨張部）、２５…膨張弁（膨張部）、４０…中間部、４０Ａ…第１中間部、４０Ｂ…第２中間部、４０Ｃ…第３中間部、４４…中間熱交換部、６０…補吸熱部、６０Ａ…第１補吸熱部、６０Ｂ…第２補吸熱部、６０Ｃ…第３補吸熱部、７０…制御装置、９０…外部装置、９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ，９１Ｄ…放熱管。
【図１】
0005551902.tif 000002
【図２】
0005551902.tif 000003
【図３】
0005551902.tif 000004
【図４】
0005551902.tif 000005
【図５】
0005551902.tif 000006
【図６】
0005551902.tif 000007