(57)【要約】ＮＨ３熱媒を用いた二段圧縮ヒートポンプサイクル装置において、高温の熱媒体の取り出しを安定化させながら、高温、中温及び低温の３種の熱媒体の同時取り出しを可能とすることを目的とする。その構成は、第１の伝熱媒体流路１４を凝縮器１３に導設し該凝縮器で第１の伝熱媒体ａをガス熱媒ｎ１と潜熱熱交換させて高温伝熱媒体を生成するとともに、第２の伝熱媒体流路１６を蒸発器２３に導設し該蒸発器で第２の伝熱媒体ｃを液熱媒ｎ２と潜熱熱交換させて低温伝熱媒体を生成し、凝縮器１３と中間冷却器１８との間に第１の過冷却器１５を介設するとともに、該中間冷却器と蒸発器２３との間に第２の過冷却器２１を介設し、第３の伝熱媒体流路１６を第２の過冷却器２１を経て第１の過冷却器１５に直列に導設し、該第１及び第２の過冷却器で第３の伝熱媒体ｂを液熱媒と顕熱熱交換させて中温伝熱媒体を生成するように構成したものである。
2010023737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＨ３を熱媒とし、圧縮機が中間冷却器を介在させた低段圧縮部と高段圧縮部からなる二段圧縮機で構成され、
高段圧縮部から吐出されて凝縮器を経た液熱媒が中間冷却器で低段圧縮部から吐出されたガス熱媒と熱交換した後蒸発器を経て低段圧縮部に循環する二段圧縮ヒートポンプサイクル装置において、
第１の伝熱媒体流路を凝縮器に導設し該凝縮器で第１の伝熱媒体をガス熱媒と潜熱熱交換させて高温伝熱媒体を生成するとともに、
第２の伝熱媒体流路を蒸発器に導設し該蒸発器で第２の伝熱媒体を液熱媒と潜熱熱交換させて低温伝熱媒体を生成し、
凝縮器と中間冷却器との間に第１の過冷却器を介設するとともに、中間冷却器と蒸発器との間に第２の過冷却器を介設し、
第３の伝熱媒体流路を第２の過冷却器を経て第１の過冷却器に直列に導設し該第１及び第２の過冷却器で第３の伝熱媒体を液熱媒と顕熱熱交換させて中温伝熱媒体を生成するように構成したことを特徴とする二段圧縮ヒートポンプサイクル装置。
【請求項２】
第１の過冷却器と中間冷却器との間に第１の膨張弁を介設するとともに、中間冷却器と第２の過冷却器との間に第２の膨張弁を介設したことを特徴とする請求項１に記載の二段圧縮ヒートポンプサイクル装置。
【請求項３】
少なくとも高段圧縮部を駆動するために固定子の巻線としてアルミ線材を使用した密閉型モータ又は密閉型ＩＰＭモータを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の二段圧縮ヒートポンプサイクル装置。
【請求項４】
前記二段圧縮機は、高段圧縮部と低段圧縮部とが直列に連結した単機二段圧縮機であることを特徴とする請求項１又は２に記載の二段圧縮ヒートポンプサイクル装置。
【請求項５】
高段圧縮部の吐出側に油分離器を設け、高段圧縮部から吐出されたＮＨ３熱媒を前記凝縮器で予冷却した後、該油分離器に導入するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の二段圧縮ヒートポンプサイクル装置。
【請求項６】
前記油分離器は、圧縮ガスと油ミストとからなる混合流体が流入する流入口を囲んで袋状に覆うように配設された油分離エレメントからなり、
該油分離エレメントは、内側から外側に向けて、荒メッシュ径の荒分離用プレフィルタエレメントと、油ミストを捕捉可能な微細メッシュ径のフィルタエレメントと、多数のガス熱媒通過孔を有し該フィルタエレメントで捕捉した油ミストの再飛散を防止する飛散防止用エレメントの三層から構成されていることを特徴とする請求項５に記載の二段圧縮ヒートポンプサイクル装置。
【請求項７】
二段圧縮機の潤滑油としてＮＨ３冷媒と非相溶性の油を用いることを特徴とする請求項５又は６に記載の二段圧縮ヒートポンプサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＨ３を熱媒として使用し、低段圧縮部と高段圧縮部とからなる二段圧縮機を備えたヒートポンプサイクルを構成する装置において、高温（６０〜７５℃）、中温（４０〜６０℃）及び低温（−１５〜１０℃）の３種の伝熱媒体の取り出しを同時に可能とし、さらに従来より冷凍能力とＣＯＰを向上させたものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１（特開２０００−２４９４１３号公報）には、従来の二段圧縮冷凍装置が開示されている。以下この構成を説明する。図７において、冷凍装置０１０は、業務用冷蔵庫、家庭用冷蔵庫、製氷装置、ショーケース用冷凍装置等に適用される。冷媒回路０２０は、主回路０２Ｍに高段圧縮機０２１Ｈと低段圧縮機０２１Ｌの２つの圧縮機を備えた二段圧縮冷凍サイクルを構成している。また、中間冷却器０２２を備えて吐出ガス温度の低減を図っている。【０００３】
即ち、低段圧縮機０２１Ｌの吐出側が冷媒配管０２３を介して中間冷却器０２２に接続され、中間冷却器０２２が冷媒配管０２３を介して高段圧縮機０２１Ｈに接続されている。そして、高段圧縮機０２１Ｈの吐出側が冷媒配管０２３を介して熱源側熱交換器０２４に接続されている。熱源側熱交換器０２４は、例えば、空冷凝縮器であって、室外空気と冷媒とが熱交換して該冷媒を凝縮する。あるいは、室外空気以外の伝熱媒体を導入して、該伝熱媒体を加熱するようにしてもよい。【０００４】
熱源側熱交換器０２４から中間冷却器０２２の熱交換部０２２ａと膨張弁０２５と利用側熱交換器０２６とが順に冷媒配管０２３によって直列に接続されている。利用側熱交換器０２６は、例えば、冷凍庫内の庫内空気と冷媒とが熱交換して該冷媒が蒸発し、庫内空気を冷却するように構成されている。そして、利用側熱交換器０２６は低段圧縮機０２１Ｌの吸入側に冷媒配管０２３によって接続されている。【０００５】
熱源側熱交換器０２４には分岐通路０３０が分岐され、該分岐通路０３０は、補助膨張弁０３１を備えるとともに、一端が中間冷却器０２２に接続されている。中間冷却器０２２は、分岐通路０３０から流入した液冷媒の蒸発によって主回路０２Ｍの液冷媒を過冷却するとともに、低段圧縮機０２１Ｌから吐出した吐出ガス冷媒を冷却する。【０００６】
この二段圧縮冷凍装置の冷却動作を図８のモリエル線図に基づいて説明する。図８において、先ず、低圧ガス冷媒は、Ａ点の状態から低段圧縮機０２１Ｌに流入し、低段圧縮機０２１ＬによってＢ点まで圧縮される。低段圧縮機０２１Ｌから吐出したガス冷媒は、中間冷却器０２２に流入し、後述する冷媒によってＣ点まで冷却される。【０００７】
その後、この冷却されたガス冷媒は、Ｃ点の状態から高段圧縮機０２１Ｈに流入し、高段圧縮機０２１ＨによってＤ点まで圧縮される。高段圧縮機０２１Ｈから吐出したガス冷媒は、熱源側熱交換器０２４に流入し、他の伝熱媒体と熱交換してＥ点まで冷却されて凝縮する。【０００８】
この凝縮した高圧液冷媒は、主回路０２Ｍと分岐通路０３０との２つに分かれる。この分岐通路０３０を流れる液冷媒は、補助膨張弁０３１でＦ点まで減圧されて中間冷却器０２２に流れる。一方、主回路０２Ｍを流れる液冷媒は中間冷却器０２２の熱交換部０２２ａに流れる。この中間冷却器０２２において、分岐通路０３０からの液冷媒が蒸発し、低段圧縮機０２１Ｌの吐出ガス冷媒を冷却するとともに（Ｂ→Ｃ）、熱交換部０２２ａの液冷媒を過冷却する（Ｅ→Ｇ）。【０００９】
一方、中間冷却器０２２で蒸発した分岐通路０３０のガス冷媒と低段圧縮機０２１Ｌの吐出ガス冷媒とがＣ点で合流する。その後、このガス冷媒は高段圧縮機０２１Ｈに流入する。主回路０２Ｍの液冷媒は、熱交換部０２２ａのＧ点から膨張弁０２５でＨ点まで減圧されて利用側熱交換器０２６に流入する。利用側熱交換器０２６で、例えば、冷凍庫の庫内空気と熱交換して蒸発し、該庫内空気を冷却する。その後蒸発冷媒はＡ点に戻り、低段圧縮機０２１Ｌに流入する。【００１０】
このように、従来の高温や中温の伝熱媒体の取り出しは、主に、ヒートポンプサイクルを構成する圧縮機の吐出ガスの顕熱と凝縮潜熱で熱媒体を加熱することにより行なわれてきた。この方式では、圧縮機吐出ガスのもつ液化までの熱量を高温用と中温用とに案分して行なうことになる。高温取り出しは、主として顕熱利用であることを考慮すると、その取得熱量は吐出ガス温度から凝縮温度域までの約２０％以下である。【００１１】
さらに、吐出ガスと伝熱媒体とを対向流にして熱交換を行なわせるため、冷凍サイクルの運転条件により吐出温度が低下するような場合には、十分な熱交換ができず、熱量不足が生じる。このため、高温伝熱媒体の取り出しが困難になるという問題が起こる。【００１２】
ヒートポンプサイクル装置において、ＣＯ２を冷媒とし圧縮機吐出圧力を臨界圧力以上の超臨界状態で運転することにより、９０℃付近の高温伝熱媒体の取り出しが可能になることは従来公知である。
しかし、ＣＯ２を超臨界状態で運転すると、高圧部が１０〜１２ＭＰａほどの高圧となるため、運転に注意を要すると共に、高圧部を耐圧構造とする必要がある。さらに、超臨界運転で追い焚きを行なう場合には、ＣＯＰ（成績係数）が低下するため、運転の自由度が制限されるという問題がある。
【特許文献１】特開２０００−２４９４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、二段圧縮ヒートポンプサイクル装置において、高温の伝熱媒体を安定して生成できるようにするとともに、高温、中温及び低温の３種の伝熱媒体の同時取り出しを可能とし、かつＣＯＰを向上でき、運転の自由度が広いヒートポンプサイクル装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
かかる目的を達成するため、本発明の二段圧縮ヒートポンプサイクル装置は、
ＮＨ３を熱媒とし、圧縮機が中間冷却器を介在させた低段圧縮部と高段圧縮部からなる二段圧縮機で構成され、
高段圧縮部から吐出されて凝縮器を経た液熱媒が中間冷却器で低段圧縮部から吐出されたガス熱媒と熱交換した後蒸発器を経て低段圧縮部に循環する二段圧縮ヒートポンプサイクル装置において、
第１の伝熱媒体流路を凝縮器に導設し該凝縮器で第１の伝熱媒体をガス熱媒と潜熱熱交換させて高温伝熱媒体を生成するとともに、
第２の伝熱媒体流路を蒸発器に導設し該蒸発器で第２の伝熱媒体を液熱媒と潜熱熱交換させて低温伝熱媒体を生成し、
凝縮器と中間冷却器との間に第１の過冷却器を介設するとともに、中間冷却器と蒸発器との間に第２の過冷却器を介設し、
第３の伝熱媒体流路を第２の過冷却器を経て第１の過冷却器に直列に導設し該第１及び第２の過冷却器で第３の伝熱媒体を液熱媒と顕熱熱交換させて中温伝熱媒体を生成するように構成したものである。【００１５】
本発明では、地球環境にやさしく、熱伝達率、熱吸収効果が大きくて、ＣＯＰが高く、価格も安いなどの利点があるＮＨ３を熱媒として用いる。これによって、ＣＯＰを向上できると共に、高圧部の圧力が４ＭＰａ程度とＣＯ２の場合と比べて小さいため、耐圧構造を必要とせず、運転も容易である。
また、高圧部がＣＯ２冷媒のように超臨界圧とならないため、追い焚きを行なう場合でも、ＣＯＰが低下しない。従って、運転の自由度が広い利点がある。【００１６】
また、凝縮器での凝縮温度は６５〜８０℃、中間冷却器での中間温度は２０〜４０℃、及び蒸発器で蒸発温度を−２０〜１０℃とすることができる。そして、ＮＨ３熱媒を用いることによって、高段圧縮部の吐出側で高い熱媒温度が得られ、かつ凝縮器での熱媒と伝熱媒体との潜熱熱交換により高温の伝熱媒体を安定して取り出すことが可能になる。【００１７】
中温伝熱媒体の取り出しは、第１の過冷却器と第２の過冷却器とで行なう。即ち、中温伝熱媒体取り出し用の第３の伝熱媒体流路を第２の過冷却器を経てから第１の過冷却器に直列に導設して、第１及び第２の過冷却器で液熱媒と対向流で顕熱熱交換させる。これによって、４０〜６０℃の中温伝熱媒体を生成することができる。【００１８】
また、第１及び第２の過冷却器で熱媒が過冷却されるので、蒸発器で低温伝熱媒体から奪う熱量を増加でき、これによって、ＣＯＰが向上する。特に、従来方式と比べて、第２の過冷却器での低温伝熱媒体とＮＨ３熱媒との交換熱量がＣＯＰ増大分となる。【００１９】
また、液熱媒の過冷却度が増すことにより、中間温度域での熱媒の乾度が減少する。これによって、熱媒の自己冷却時のフラッシュガスが減り、中間圧力域で発生するガス熱媒量が減少するため、二段圧縮ヒートポンプサイクルの中間圧力が下がる。従って、高段圧縮部と低段圧縮部の消費動力が低減するという利点がある。さらに、蒸発器側での熱吸収能力が増加することにより、本装置のＣＯＰが向上するとともに、高温伝熱媒体の取り出しをさらに安定して行なうことができる。【００２０】
高温で取り出した熱媒体の用途としては、例えば、６０℃の熱媒体を７０℃まで昇温して循環する熱供給や暖房、又は吸着式冷凍機の熱源とするか、又はブラインを介して間接に熱交換を行ない給湯用としても用いることができる。生成された中温伝熱媒体の用途として、例えば、１５℃程度の供給水を５５℃まで昇温して給湯用とするか、あるいはボイラの給水加熱として用いることができる。【００２１】
低温で取り出した伝熱媒体の用途としては、冷却プロセスとしての活用や、低圧受液器と蒸発器とを組合せてＣＯ２ブラインなどのブラインを供給するインダイレクトシステムや、蒸発器をカスケードコンデンサとして構成し、該カスケードコンデンサでＣＯ２冷媒を液化して、ＣＯ２冷媒を液ポンプで循環するＮＨ３−ＣＯ２ブライン液ポンプ冷凍システム等に用いることができる。【００２２】
本発明装置においては、第１の過冷却器と中間冷却器との間に第１の膨張弁を介設するとともに、中間冷却器と第２の過冷却器との間に第２の膨張弁を介設することによって、低段圧縮部と高段圧縮部との間に中間圧力域を形成する二段圧縮ヒートポンプサイクルを構成することができる。【００２３】
高段圧縮部の吐出側は、凝縮温度が８０℃程度になると、吐出圧力が４ＭＰａ前後となるため、ＮＨ３熱媒の漏れのない構造が求められる。そのため、本発明装置において、好ましくは、少なくとも高段圧縮部を駆動するために固定子の巻線としてアルミ線材を使用した密閉型モータ又は密閉型ＩＰＭモータを備えるようにするとよい。これによって、高段圧縮部の駆動モータをＮＨ３熱媒による腐食から守り、かつＮＨ３熱媒が装置外に漏洩するのを防止することができる。【００２４】
また、本発明装置において、二段圧縮機を、高段圧縮部と低段圧縮部とが直列に連結された単機二段圧縮機とすれば、二段圧縮機の構成をコンパクトにまとめることができ、設置スペースを削減できるとともに、圧縮機に要する動力を低減することができる。さらに、前記密閉型モータの構成と単機二段圧縮機の構成を組み合わせれば、夫々の構成の相乗効果を得ることができる。【００２５】
また、本発明装置において、高段圧縮部の吐出側に油分離器を介設し、高段圧縮部から吐出されたＮＨ３を凝縮器で予冷却した後、該油分離器に導入するように構成するとよい。かかる構成とすれば、高段圧縮部から高温で吐出されたガス熱媒を一旦凝縮器で冷却した後で油分離器に導入するので、油分離器を構成するエレメントの耐久性を劣化させないで済み、また、ガス熱媒に混入した油ミストの粘度を低下させることにより、ガス熱媒との分離効果を向上させることができる。また、ガス熱媒を冷却することにより、油分離器を通過するガス熱媒の容積を減少させることができるので、適正な通過流速を確保することができる。【００２６】
また、油分離器を、圧縮ガスと油ミストとからなる混合流体が流入する流入口を囲んで袋状に覆うように配設された油分離エレメントで構成し、該油分離エレメントを、内側から外側に向けて、荒メッシュ径の荒分離用プレフィルタエレメントと、油ミストを捕捉可能な微細メッシュ径のフィルタエレメントと、多数のガス熱媒通過孔を有し該フィルタエレメントで捕捉した油ミストの再飛散を防止する飛散防止用エレメントの三層から構成するとよい。【００２７】
ＮＨ３熱媒では、高段圧縮部から吐出されるガス熱媒の温度は１００℃以上になる。これに対し、微細メッシュ径のフィルタエレメント本体の内側に荒メッシュ径の荒分離用フィルタを設け、該荒分離フィルタエレメントで予めスケールや大きな油ミストを分離することにより、フィルタエレメント本体が１５０℃までの耐久性を確保することができる。また、該フィルタエレメント本体の外周側に飛散防止用フィルタを設けることにより、一旦ガス熱媒から分離した油ミストの飛散を防止できるので、ガス熱媒からの油ミストの分離効率を向上できる。【００２８】
また、二段圧縮機の潤滑油としてＮＨ３冷媒と非相溶性の油を用いるようにすれば、油分離器での油ミストの分離効果を更に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプサイクル装置の系統図である。
【図２】前記第１実施形態に係るヒートポンプサイクル装置のモリエル線図である。
【図３】前記第１実施形態に用いられるハーメチック型モータを一部を断截して示す斜視図である。
【図４】前記第１実施形態で用いられる圧縮機の模式図である。
【図５】前記第１実施形態で用いられる油分離器の縦断立面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るヒートポンプサイクル装置の一部系統図である。
【図７】従来の二段圧縮冷凍機の系統図である。
【図８】従来の二段圧縮冷凍機のモリエル線図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
次に本発明装置の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る、ＮＨ３を熱媒とした二段圧縮ヒートポンプサイクル装置の系統図である。図１において、二段圧縮ヒートポンプサイクル装置１の高段圧縮機１１の吐出側熱媒配管２に油分離器１２が介設され、高段圧縮機１１でガス状の熱媒に混じった潤滑油を油分離器１２で分離し、分離した潤滑油を戻しライン１２ａを介して高段圧縮機１１又は後述する低段圧縮機１９に戻している。なお、本実施形態では、ＮＨ３熱媒と非相溶性の潤滑油、例えばナフテン系の鉱油、又はアルキルベンゼン（合成油）等を用いている。【００３１】
油分離器１２の下流側熱媒配管２には凝縮器１３が介設されている。凝縮器１３には、ガス状のＮＨ３熱媒と熱交換して高温の伝熱媒体を取り出すために、伝熱媒体ライン１４が接続され、高温取り出し用伝熱媒体ａとガス熱媒とが間接的に潜熱熱交換される。凝縮器１３で、該伝熱媒体ａが高温のガス熱媒と潜熱熱交換されて、該伝熱媒体ａが加熱されるとともに、ガス熱媒は冷却されて液化する。【００３２】
凝縮器１３の下流側熱媒配管２には第１の過冷却器１５が介設されている。第１の過冷却器１５には中温取り出し用伝熱媒体ｂを導入する伝熱媒体ライン１６が導設され、ここで該伝熱媒体ｂと液熱媒とが顕熱熱交換され、該伝熱媒体ｂが加熱されると共に、液熱媒は過冷却される。第１の過冷却器１５の下流側には第１の膨張弁１７が介設され、液熱媒は第１の膨張弁１７を通過して減圧された後、中間冷却器１８に到る。【００３３】
中間冷却器１８には低段圧縮機１９の吐出側熱媒配管５を介して低段圧縮機１９から吐出されたＮＨ３ガス熱媒が供給される。第１の膨張弁１７で減圧された液熱媒の一部は、中間冷却器１８の内部で、熱媒配管５から供給されたガス熱媒の熱を吸収して蒸発する。そして、中間冷却器１８内のガス熱媒ｎ１は熱媒配管３を通って高段圧縮機１１に導入される。中間冷却器１８内の液熱媒ｎ２は、熱媒配管４を経て第２の過冷却器２１に到る。【００３４】
第２の過冷却器２１には、中温取り出し用伝熱媒体ライン１６の上流側が導設され、中温取り出し用伝熱媒体ｂは、まず、第２の過冷却器２１で液熱媒と熱交換して予熱され、一方、液熱媒はさらに過冷却度を増す。このように、中温取り出し用熱媒体ライン１６は、第２の過冷却器２１を経て第１の過冷却器１５に直列に導設されており、中温取り出し用熱媒体ｂは、まず第２の過冷却器２１で予熱された後、第１の過冷却器１５でさらに加熱されるように構成されている。【００３５】
第２の過冷却器２１の下流側熱媒配管４には、第２の膨張弁２２が介設されており、液熱媒は第２の膨張弁２２を通ってさらに減圧される。減圧された熱媒は蒸発器２３に到る。蒸発器２３には低温取り出し用熱媒体ライン２４が導設されている。蒸発器２３で低温取り出し用熱媒体ｃと液熱媒とが潜熱熱交換され、液熱媒は該伝熱媒体ｃから蒸発潜熱を奪って蒸発し、ガス熱媒となって低段圧縮機１９に到り、低段圧縮機１９で圧縮される。一方、伝熱媒体ｃは冷却されて低温伝熱媒体として用途先に供給される。【００３６】
なお、本実施形態では、高段圧縮機１１と低段圧縮機１９とは両者の回転軸が直列に接続された単機二段圧縮機として構成されている。即ち、高段圧縮機１１及び低段圧縮機１９は往復動型圧縮機であり、これらのピストンはピストンロッドを介して同一のクランク軸に接続され、同一のクランク軸で駆動される。【００３７】
次に本実施形態のヒートポンプサイクル装置１の作動を図２のモリエル線図により説明する。図２において、ダッシュを付さないＡからＨまでの符号は、図７に示す従来の二段圧縮冷凍装置０１０の作動状態を示し、この作動動作はすでに図８のモリエル線図で説明済みである。本実施形態のヒートポンプサイクル装置１の作動動作は、ＡからＢ、Ｃ、Ｄを通り、Ｅ点に至るまでは、従来の二段圧縮冷凍装置０１０の作動動作と同一である。【００３８】
即ち、低圧ガス熱媒は、Ａ点の状態から低段圧縮機１９に流入し、低段圧縮機１９によってＢ点まで圧縮される。低段圧縮機１９から吐出したガス熱媒は中間冷却器１８に流入し、熱媒配管２から中間冷却器１８に流入した液熱媒によって冷却されてＣ点に到る。【００３９】
中間冷却器１８内のガス熱媒ｎ１は、高段圧縮機１１に到って圧縮され（Ｄ点）、高段圧縮機１１から吐出したガス熱媒は、凝縮器１３で冷却され凝縮する（Ｅ点）。凝縮器１３から出た液冷媒は、第１の過冷却器１５でさらに冷却されて過冷却域に到る（Ｅ’点）。第１の過冷却器１５から出た液冷媒は、第１の膨張弁１７を通って減圧された後、中間冷却器１８に到る（Ｆ’点）。【００４０】
第１の膨張弁１７を経て減圧された液熱媒の一部が、中間冷却器１８で低段圧縮機１９の吐出側熱媒配管５から流入したガス熱媒の保有熱を吸収して蒸発し（Ｆ’→Ｃ）、高段圧縮機１１に到る。一方、残りの液冷媒ｎ２は第２の過冷却器２１に到り、第２の過冷却器２１で中温取り出し用熱媒体ｂによって冷却される（Ｆ’→Ｇ’）。第２の過冷却器２１を出た液熱媒は、第２の膨張弁２２を通って減圧され（Ｇ’→Ｈ’）、その後、蒸発器２３で低温取り出し用熱媒体ｃから蒸発潜熱を奪って蒸発する（Ｈ’→Ａ）。蒸発したガス熱媒は再び低段圧縮機１９で圧縮される（Ａ→Ｂ）。【００４１】
本実施形態においては、熱媒としてＮＨ３を用いているが、ＮＨ３は可燃性及び有毒性であるため、ＮＨ３が外気に漏洩するのを防止する必要がある。高段圧縮機１１は、凝縮温度が８０℃程度になると、吐出圧力が４ＭＰａ程度になるため、ＮＨ３の漏洩のない構造が要求される。そこで、高段圧縮機１１の駆動装置は、ＮＨ３によって腐食されないアルミ線材を固定子の巻線として用いたハーメチック型モータを用いている。以下この構造を図３に基づいて説明する。【００４２】
ハーメチック型モータ３０は、高段圧縮機１１及び低段圧縮機１９のピストンを駆動するクランク軸と結合されて、高段圧縮機１１及び低段圧縮機１９を駆動する。ハーメチック型モータ３０は、例えば、３相誘導モータであり、略円筒形状の耐圧力密封筐体３１を備えており、筐体３１には密封玉軸受３２によって回転軸３３が回転可能に支持されている。そして、回転軸３３の一端（紙面右側）は、筐体３１から突出して高段圧縮機１１及び低段圧縮機１９のクランク軸に結合される。【００４３】
回転軸３３には回転子３４が取り付けられ、筐体３１の内面側に設けられたフレーム３１ａの内側に、この回転子３４を取り囲むようにして、固定子３５が配設されている。固定子３５には巻線３６が装着されている。そして、筐体３１に端子箱３７が接続され、巻線３６は、端子箱３７から配線３８により、サーマルリレー３９、電磁接触器４１、及び遮断器４２を介して３相交流電源４３に接続されている。この電力供給機構によって、ハーメチック型モータ３０が回転駆動される。【００４４】
図４に示すように、本実施形態のヒートポンプサイクル装置１に用いられる圧縮機５０は、往復動型の高段圧縮機１１及び低段圧縮機１９が多気筒式に並設されて構成されている。圧縮機５０のクランク室５１では、高段圧縮機１１及び低段圧縮機１９のピストン（図示略）がピストンロッドを介して単一のクランク軸５２に接続されている。【００４５】
ハーメチック型モータ３０の回転軸３３が、クランク軸５２とカップリング５３によって結合されており、この結合部分は、クランク室５１とハーメチック型モータ３０の筐体３１との間で、圧縮機５０とハーメチック型モータ３０とを気密状態で完全に一体化する接続ケーシング５４の内部に位置している。【００４６】
ハーメチック型モータ３０が回転すると、その回転が圧縮機５０のクランク軸５２に伝達されて、高段圧縮機１１及び低段圧縮機１９を駆動する。なお、図示しないが、筐体３１にはＮＨ３熱媒の導入口及び排出口が設けられており、ＮＨ３熱媒の一部が該導入口から筐体３１内に導入されることによって、ハーメチック型モータ３０が冷却される。【００４７】
図３において、回転子３４はアルミニウムダイキャスト製であり、固定子３５は、例えば、磁性鋼板（ＪＩＳＣ２５２２）の表面に絶縁コーティングが施されている。巻線３６は高純度のアルミニウム線で構成され、表面にフッ素系樹脂のパーフルオロアルコキシ（Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏ  ａｌｋｏｘｙ：ＰＦＡ）が被覆されている。アルミニウム線は銅線に比べて導電率が低いが、ＮＨ３によって腐食することはない。また、表面に、絶縁性、アルミニウム線に対する追従性、耐クラック性及び熱劣化耐性の良好なＰＦＡを被覆しているので、ＮＨ３熱媒に対する耐久性を高くすることができる。【００４８】
なお、ハーメチック型モータ３０として、三相誘導モータの代わりに、永久磁石埋め込み型の同期モータであるＩＰＭモータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｍｏｔｏｒ）を用いてもよい。ＩＰＭモータは回転子に永久磁石が埋め込まれており、回転子を囲むようにして、固定子が配置される。ＩＰＭモータを用いることにより、圧縮機５０の駆動モータを高効率化及び小型化することができるばかりでなく、所謂ＰＡＭ回転数制御等の回転数制御によって、駆動モータを最適制御することができる（なお、ＮＨ３熱媒を用いたヒートポンプサイクル装置にアルミ線材を巻き線として用いたハーメチック型モータ又はＩＰＭモータを適用する場合の詳細な構成については、本出願人が先に出願した特開２００４−５６９９０号公報を参照されたい。）。【００４９】
次に、油分離器１２の構造を図５に基づいて説明する。図５において、油セパレータの隔壁１０にＮＨ３熱媒と潤滑油との混合流体ｄが流入する入口開口１０ａが設けられ、該入口開口１０ａの下部に油分離器１２が取り付けられている。油分離器１２は、中心に開口１２２ａを有する上部カバー１２２と、円筒状の油分離エレメント構造１２３と、下部カバー１２４とからなり、中心に垂設された心棒１２１の下端部に螺合された円筒状の大径部１２１ａに下部カバー１２４が支持されることによって、油分離器１２の入口開口１０ａに固定されている。【００５０】
油分離エレメント構造１２３は上部開口を有し、上部開口から流入した混合流体ｄは荒分離エレメント１２５を内側から外側に、即ち、矢印ｅ方向に通過する際に潤滑油とゴミが分離される。油分離エレメント構造１２３は、内周側から外周側に向かって荒分離エレメント１２５、正規分離エレメント１２６及び飛散防止エレメント１２７の３層構造になっている。そして、正規分離エレメント１２６の外周側には正規分離エレメント１２６のサポート部材１２８が設けられ、飛散防止エレメント１２７の外周側には飛散防止エレメント１２７のガード部材１２９が設けられている。荒分離エレメント１２５は、金属製の荒いワイヤメッシュで構成され、ここで大きな油ミストやゴミを分離する。【００５１】
正規分離エレメント１２６は、例えばグラスウールなどで構成され、ポーラスなスポンジ状をなし、微細なメッシュ径を有し、ここで細かな油ミストまで分離される。飛散防止エレメント１２７は多数のガス熱媒通過孔を有し、ここで正規分離エレメント１２６に補足された油ミストが再飛散するのを防止する。かかる構成の油分離エレメント１２３によって、ミクロン単位の油ミストまで分離されるとともに、荒分離エレメント１２５を設けることで、ゴミによる正規分離エレメント１２６の破損の可能性を低減することができる。【００５２】
かかる構成の本実施形態によれば、熱媒特性の優れるＮＨ３熱媒を用い、高段圧縮機１１の吐出側冷媒温度が１００℃以上になり、凝縮器１３での凝縮温度が６５〜８０℃となる。そして、凝縮器１３に高温取り出し用伝熱媒体ライン１４が導設され、ライン１４を流れる伝熱媒体ａがＮＨ３熱媒と対向流で潜熱熱交換を行ない、図２中の(Ｄ→Ｅ)分の熱量を吸収するので、６０〜７５℃の高温伝熱媒体ａを取り出すことができる。【００５３】
また、中間冷却器１８でＮＨ３熱媒の中間温度は２０〜４０℃となるが、中温取り出し用伝熱媒体ラインｂは第２の過冷却器２１から第１の過冷却器１５に直列に配設され、第２の過冷却器２１及び第１の過冷却器１５の両方で液熱媒と顕熱して加温され、図２中の（Ｅ→Ｇ’）分の熱量を吸収するので、４０〜６０℃の中温伝熱媒体ｂを取り出すことができる。例えば、凝縮器１３吐出側の凝縮熱媒液の温度が６０℃の場合には、５５℃程度の伝熱媒体ｂを取り出すことができる。【００５４】
そして、蒸発器２３では低温取り出し用伝熱媒体ｃと液熱媒とが潜熱熱交換することによって、図２中の（Ｈ’→Ａ）分の蒸発潜熱量が得られる。これによって、−１５〜１０℃の低温伝熱媒体を取り出すことができる。【００５５】
中温取り出し用伝熱媒体ラインｂでは、第１の過冷却器１５及び第２の過冷却器２１の２段階で液熱媒を過冷却するので、図２に示すように、従来の冷凍装置より冷凍効果がΔｈ分だけ増加し、蒸発器２３での蒸発潜熱の吸収量が増加する。【００５６】
例えば、中間冷却器１８の中間温度が４０℃の液熱媒のエンタルピーは１４５．６ｋｃａｌ／ｋｇであり、それを第２の過冷却器２１で１５℃まで過冷却すると、液冷媒のエンタルピーは１１７.８ｋｃａｌ／ｋｇとなるので、冷凍効果の増加分はΔｈ＝１４５．６−１１７．８＝２７．８ｋｃａｌ／ｋｇとなる。この増加分は蒸発器２３で液熱媒が−２０℃から１０℃に温度上昇する際に吸収する蒸発潜熱の約１０％に相当する。このことから、最大で約１０％程度の熱吸収効果の増加が見込まれる。【００５７】
さらに、第１の過冷却器１５及び第２の過冷却器２１で液熱媒の過冷却度を増加させることにより、中間温度域での熱媒の乾度が減少し、これによって、熱媒の自己冷却のフラッシュガスが減少する。従って、中間圧力域でのガス熱媒の循環量が減少するため、中間圧力が減少し、高段圧縮機１１及び低段圧縮機１９の消費動力が低減する。さらに、蒸発器２３での熱吸収能力の向上によって、ヒートポンプサイクル装置１のＣＯＰが向上すると共に、高温伝熱媒体の安定した取り出しが可能になる。【００５８】
また、ＮＨ３熱媒を用いたことにより、高圧部の圧力が４ＭＰａ程度とＣＯ２の場合と比べて小さいため、耐圧構造を必要とせず、運転も容易である。また、高圧部がＣＯ２冷媒のように超臨界圧とならないため、追い焚きを行なう場合でも、ＣＯＰが低下しない。従って、運転の自由度が広い利点がある。【００５９】
また、圧縮機５０の高段圧縮機１１に往復動型圧縮機を用いたことにより、往復動型圧縮機は、吐出側のガス熱媒に多量の潤滑油が介在しないため、熱媒循環量を確保でき、ガス熱媒を高温度にすることができる。ちなみに、スクリュー圧縮機は、吐出側のガス熱媒に多量の潤滑油が介在するため、熱媒循環量が低下し、ガス熱媒の温度が低下してしまう。【００６０】
また、圧縮機５０の駆動手段として、固定子３５の巻線３６にアルミニウム線材を用いたハーメチック型モータ３０を設け、かつＮＨ３熱媒が外部に漏れない密閉構造としているので、可燃性及び有毒性を有し腐食性が強いＮＨ３が外部に漏れる心配がなく、かつ圧縮機５０の駆動モータがＮＨ３によって腐食される心配がない。【００６１】
また、本実施形態では、高段圧縮機１１と低段圧縮機１９の駆動軸が単一のクランク軸５２に連結された単機二段構造となっているので、ヒートポンプサイクル装置１の設置スペースを低減し、高段圧縮機１１及び低段圧縮機１９の駆動動力を低減することができる。【００６２】
また、本実施形態では、高段圧縮機１１の吐出側に図５に示す構成を有する油分離器１２を設けたことにより、高段圧縮機１１から吐出するガス熱媒に混入する潤滑油を高精度に分離でき、かつ潤滑油としてＮＨ３と非相溶性の潤滑油を用いているため、ＮＨ３熱媒に混入する潤滑油をミクロン単位で分離することができる。【００６３】
次に本発明装置の第２実施形態を図６に基づいて説明する。図６において、本実施形態においては、高段圧縮機１１の吐出側熱媒配管において、高段圧縮機１１から吐出した熱媒を凝縮器１３に導入する熱媒配管２ａと凝縮器１３で顕熱熱交換した後の冷媒を油分離器１２に導入する熱媒配管２ｂを設けている。その他の構成は、熱媒としてＮＨ３を用いることも含めて、前記第１実施形態と同一であるので、同一部分については説明を省略する。【００６４】
本実施形態では、高段圧縮機１１から吐出された高温のガス熱媒を一旦凝縮器１３に導き、凝縮器１３で高温取り出し用伝熱媒体ａと対向流で顕熱熱交換させて予冷却し、その後、ガス熱媒を油分離器１２に導入するようにしている。高段圧縮機１１から吐出したＮＨ３熱媒は１００℃以上の温度を有する。この高温のガス熱媒を直接油分離器１２に導入させずに、一旦凝縮器１３で顕熱熱交換して１００℃以下の温度に予冷却して油分離器１２に導入することにより、油分離器１２の分離エレメントの耐久性をガス熱媒の高熱で劣化させないようにすることができる。【００６５】
また、高段圧縮機１１から吐出したガス熱媒を予冷却してから油分離器１２に導入することにより、油分離器１２の分離エレメントを通過するガス熱媒の容積を減少させることができるので、適正な通過流速を確保することができる。その他前記第１実施形態と同一の作用効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明によれば、ＮＨ３熱媒を用いた二段圧縮ヒートポンプサイクル装置において、高温、中温及び低温の３種の温度域の伝熱媒体を同時に取り出すことができるとともに、ＣＯＰを向上させ、かつ高段圧縮機の吐出側でガス熱媒に混入した潤滑油を高精度で分離できるヒートポンプサイクル装置を実現することができる。
【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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【国際調査報告】
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