(57)【要約】【課題】冷媒の流動力を利用してタービン膨張機を回転でき、タービン膨張機の回転力で、渦電流発熱機を回転させて熱を発生でき、この熱で冷媒の温度を確実に高められ、より効率が良く、安定したデフロストや暖房が行え、寒冷地や低温時にあっても、冷凍サイクルの運転が可能で、蒸発工程にあって蒸発熱源となる外部動力や外部熱源等が不要で、構成簡素で、コンパクトで、低廉で、経済的な冷媒加熱補助装置を提供する。【解決手段】一次側８ａ及び二次側８ｂを有する一体の熱自己平衡熱交換器８と、二次側８ｂ入口がわに配するタービン膨張機９と、タービン膨張機９の回転力で回転すると共に、二次側８ｂ出口がわに配する渦電流発熱機１０とを備え、冷媒を、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａ、タービン膨張機９、二次側８ｂ、渦電流発熱機１０を順次経て圧縮機１に送り、渦電流発熱機１０で発生する熱で冷媒の温度を高めるよう構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気圧縮式冷凍サイクル中の凝縮潜熱を増加して圧縮機に送れるように構成した冷媒加熱補助装置であって、一次側及び二次側を有する一体の熱自己平衡熱交換器と、この熱自己平衡熱交換器の二次側入口がわに配されるタービン膨張機と、このタービン膨張機の回転力によって回転すると共に、熱自己平衡熱交換器の二次側出口がわに配される渦電流発熱機とを備え、冷媒が、熱自己平衡熱交換器の一次側、タービン膨張機、熱自己平衡熱交換器の二次側、渦電流発熱機を順次経て送られるように形成すると共に、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機の回転力で、渦電流発熱機を回転せしめられるように形成し、渦電流発熱機で発生する熱で冷媒の温度を高められるように構成したことを特徴とする冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置。
【請求項２】
蒸気圧縮式冷凍機のホットガスによるデフロスト作動時に於いて作動せしめられると共に、少なくとも圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とホットガス管とを有する蒸気圧縮式冷凍サイクル中の凝縮潜熱を増加して圧縮機に送れるように構成した冷媒加熱補助装置であって、蒸発器と圧縮機の間に切替弁を介して直列状態に配されており、一次側及び二次側を有する一体の熱自己平衡熱交換器と、この熱自己平衡熱交換器の二次側入口がわに配されるタービン膨張機と、このタービン膨張機の回転力によって回転すると共に、熱自己平衡熱交換器の二次側出口がわに配される渦電流発熱機とを備え、前記蒸発器からの冷媒が、熱自己平衡熱交換器の一次側、タービン膨張機、熱自己平衡熱交換器の二次側、渦電流発熱機を順次経て送られるように形成すると共に、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機の回転力で、渦電流発熱機を回転せしめられるように形成し、渦電流発熱機で発生する熱で冷媒の温度を高められるように構成したことを特徴とする冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置。
【請求項３】
ヒートポンプ暖房時に於いて作動せしめられ、少なくとも圧縮機と室内側熱交換器と膨張弁と室外側熱交換器とを有する蒸気圧縮式冷凍サイクル中の凝縮潜熱を増加して圧縮機に送れるように構成した冷媒加熱補助装置であって、室外側熱交換器に対して切替弁を介して並列状態に配されており、一次側及び二次側を有する一体の熱自己平衡熱交換器と、この熱自己平衡熱交換器の二次側入口がわに配されるタービン膨張機と、このタービン膨張機の回転力によって回転すると共に、熱自己平衡熱交換器の二次側出口がわに配される渦電流発熱機とを備え、冷媒が、熱自己平衡熱交換器の一次側、タービン膨張機、熱自己平衡熱交換器の二次側、渦電流発熱機を順次経て送られるように形成すると共に、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機の回転力で、渦電流発熱機を回転せしめられるように形成し、渦電流発熱機で発生する熱で冷媒の温度を高められるように構成したことを特徴とする冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置。
【請求項４】
ヒートポンプ暖房時に於いて作動せしめられ、圧縮機と暖房用室内熱交換器とを有する蒸気圧縮式冷凍サイクル中の凝縮潜熱を増加して圧縮機に送れるように構成した冷媒加熱補助装置であって、暖房用室内熱交換器と圧縮機の間に直列状態に配されており、一次側及び二次側を有する一体の熱自己平衡熱交換器と、この熱自己平衡熱交換器の二次側入口がわに配されるタービン膨張機と、このタービン膨張機の回転力によって回転すると共に、熱自己平衡熱交換器の二次側出口がわに配される渦電流発熱機とを備え、前記暖房用室内熱交換器からの冷媒が、熱自己平衡熱交換器の一次側、タービン膨張機、熱自己平衡熱交換器の二次側、渦電流発熱機を順次経て送られるように形成すると共に、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機の回転力で、渦電流発熱機を回転せしめられるように形成し、渦電流発熱機で発生する熱で冷媒の温度を高められるように構成したことを特徴とする冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置。
【請求項５】
蒸気圧縮式冷凍サイクル中の凝縮潜熱を増加する冷媒加熱方法であって、冷媒を、熱自己平衡熱交換器の一次側に送って凝縮させ、この一次側を通過した冷媒をタービン膨張機に送って、タービン膨張機を回転させると共に、タービン膨張機で冷媒を膨張させ、タービン膨張機を通過した冷媒を熱自己平衡熱交換器の二次側に送って蒸発させ、この二次側を通過した冷媒を渦電流発熱機に送り、タービン膨張機の回転力で回転する渦電流発熱機から発生する熱で冷媒の温度を高め、渦電流発熱機を通過した冷媒を圧縮機１に送ることを特徴とした冷凍サイクル用冷媒加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍機のホットガスによるデフロスト（霜取り）作動時や、蒸気圧縮式冷暖房機や暖房専用機のヒートポンプ暖房作動時に於いて、デフロストの効率化や安定化や、ヒートポンプ暖房の効率化や安定化や能力向上や、寒冷下環境に於ける運転不能状態の解消や効率運転の継続や安定化等を図れるようにし、しかも、これらが蒸発工程にあって蒸発熱源となる外部熱源や蓄熱源なしに行えるように工夫した冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置及びその冷媒加熱方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に蒸気圧縮式冷凍機にあっては、冷凍サイクルによって同時に冷却と加熱が行われている。しかも、冷却能力と加熱能力は同一サイクルにあって完全に相関し、この能力が冷凍サイクルの優劣として表されている。すなわち、蒸発器による冷却を目的とする時は、凝縮器が低温に接すると蒸発器での冷却能力を向上させ、凝縮器による加熱を目的とする時は、蒸発器が高温に接すると凝縮器での加熱能力を向上させることとなる。
【０００３】
そして、従来の蒸気圧縮式冷凍機に於けるデフロスト手段としては、例えば、本願発明者によって特許文献１に示すようなデフロスト方法及びそのシステムが発明されている。
これは、冷凍機とコンデンサと、膨張弁及びエバポレーターを有する冷凍回路を有し、前記したエバポレーターと高効率の熱交換器を連結し、その熱交換器の一次側を通過した冷媒ガスを、その交換機の二次側へ膨張弁を介して送り、その熱交換器の二次側を通過した冷媒ガスを冷凍機へ送ることとし、冷凍サイクルのうち凝縮、膨張、蒸発の機能を外部熱源や蓄熱源なしに行えるようにしたものである。
【０００４】
また、冷媒ガスを加熱する手段として渦電流発熱機（マグネットヒーター）を利用したものは、例えば、特許文献２に示すような車両用暖房装置が創出されている。
これは、エバポレーターの膨張弁出口と、コンプレッサー入口にそれぞれ切替弁が設けられ、該切替弁を介してバイパス管を接続し、該バイパス管の中間に、磁石と導体とが僅かな空隙を隔てて対向配置され、該磁石と導体とを相対的に回転させることにより、導体に生じる発熱（磁路が剪断されることにより導体内に発生する渦電流の電気抵抗による発熱）で前記エバポレーター内部の冷媒ガスを加熱する方式のマグネット式ヒーターが配置される構造の車両用空調システムであって、エンジン冷却水温低下時に前記切替弁を開いて前記エバポレーター内部の冷媒ガスを前記マグネット式ヒーターにて急速加熱し、エンジン冷却水が所定の温度に達した時点で前記切替弁を閉じる構成となしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７１００９３号公報
【特許文献２】特許第３９３４３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述のデフロストシステムにあっては、熱交換器の一次側が蒸発熱源となり、二次側が凝縮熱源となり、これらの相乗効果による自らの加熱能力・冷却能力を高めて効率の良いデフロストが行えるようになっているが、冷凍サイクルの凝縮潜熱で蒸発器に付着した霜をホットガスの熱で加熱融解する作業が長く続くと、凝縮熱源が徐々に低温となり、凝縮圧力が低下し、相関する蒸発圧力・温度が低下し、冷媒蒸発温度が低下し、加熱効果（デフロスト）が悪くなる虞があった。
また、前述の車両用暖房装置にあっては、マグネット式ヒーターが、モーターやエンジン等の外部の回転駆動源を利用しているため、装置自体が大きくなると共に、コスト高となる等の難点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明は前述の如き難点等を解消し、より効率が良く、安定したデフロストや暖房が行え、寒冷下環境にあっても、冷凍サイクルの運転が可能となり、効率運転の維持や安定化も図れ、加えて、蒸発工程にあって蒸発熱源となる外部動力や外部熱源等が不要で、しかも、構成簡素で、コンパクトに構成でき、比較的低廉で、経済的なものを提供できるようにすべく創出されたもので、請求項１記載の冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置にあっては、蒸気圧縮式冷凍サイクル中の凝縮潜熱を増加して圧縮機１に送れるように構成した冷媒加熱補助装置であって、一次側８ａ及び二次側８ｂを有する一体の熱自己平衡熱交換器８と、この熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ入口がわに配されるタービン膨張機９と、このタービン膨張機９の回転力によって回転すると共に、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ出口がわに配される渦電流発熱機１０とを備え、冷媒が、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａ、タービン膨張機９、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ、渦電流発熱機１０を順次経て送られるように形成すると共に、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機９の回転力で、渦電流発熱機１０を回転せしめられるように形成し、渦電流発熱機１０で発生する熱で冷媒の温度を高められるように構成する手段を採用した。
【０００８】
また、請求項２記載の冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置にあっては、蒸気圧縮式冷凍機のホットガスによるデフロスト作動時に於いて作動せしめられると共に、少なくとも圧縮機１と凝縮器２と膨張弁３と蒸発器４とホットガス管５とを有する蒸気圧縮式冷凍サイクル中の凝縮潜熱を増加して圧縮機１に送れるように構成した冷媒加熱補助装置であって、蒸発器４と圧縮機１の間に切替弁７ａを介して直列状態に配されており、一次側８ａ及び二次側８ｂを有する一体の熱自己平衡熱交換器８と、この熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ入口がわに配されるタービン膨張機９と、このタービン膨張機９の回転力によって回転すると共に、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ出口がわに配される渦電流発熱機１０とを備え、前記蒸発器４からの冷媒が、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａ、タービン膨張機９、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ、渦電流発熱機１０を順次経て送られるように形成すると共に、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機９の回転力で、渦電流発熱機１０を回転せしめられるように形成し、渦電流発熱機１０で発生する熱で冷媒の温度を高められるように構成する手段を採用した。
【０００９】
更に、請求項３記載の冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置にあっては、ヒートポンプ暖房時に於いて作動せしめられ、少なくとも圧縮機３０と室内側熱交換器３１と膨張弁３２ａ、３２ｂと室外側熱交換器３３とを有する蒸気圧縮式冷凍サイクル中の凝縮潜熱を増加して圧縮機３０に送れるように構成した冷媒加熱補助装置であって、室外側熱交換器３３に対して切替弁３６を介して並列状態に配されており、一次側８ａ及び二次側８ｂを有する一体の熱自己平衡熱交換器８と、この熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ入口がわに配されるタービン膨張機９と、このタービン膨張機９の回転力によって回転すると共に、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ出口がわに配される渦電流発熱機１０とを備え、冷媒が、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａ、タービン膨張機９、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ、渦電流発熱機１０を順次経て送られるように形成すると共に、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機９の回転力で、渦電流発熱機１０を回転せしめられるように形成し、渦電流発熱機１０で発生する熱で冷媒の温度を高められるように構成する手段を採用した。
【００１０】
そして、請求項４記載の冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置にあっては、ヒートポンプ暖房時に於いて作動せしめられ、圧縮機４０と暖房用室内熱交換器４１とを有する蒸気圧縮式冷凍サイクル中の凝縮潜熱を増加して圧縮機４０に送れるように構成した冷媒加熱補助装置であって、暖房用室内熱交換器４１と圧縮機４０の間に直列状態に配されており、一次側８ａ及び二次側８ｂを有する一体の熱自己平衡熱交換器８と、この熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ入口がわに配されるタービン膨張機９と、このタービン膨張機９の回転力によって回転すると共に、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ出口がわに配される渦電流発熱機１０とを備え、前記暖房用室内熱交換器４１からの冷媒が、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａ、タービン膨張機９、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ、渦電流発熱機１０を順次経て送られるように形成すると共に、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機９の回転力で、渦電流発熱機１０を回転せしめられるように形成し、渦電流発熱機１０で発生する熱で冷媒の温度を高められるように構成する手段を採用した。
【００１１】
それから、請求項５記載の冷凍サイクル用冷媒加熱方法にあっては、蒸気圧縮式冷凍サイクル中の凝縮潜熱を増加する冷媒加熱方法であって、冷媒を、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａに送って凝縮させ、この一次側８ａを通過した冷媒をタービン膨張機９に送って、タービン膨張機９を回転させると共に、タービン膨張機９で冷媒を膨張させ、タービン膨張機９を通過した冷媒を熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂに送って蒸発させ、この二次側８ｂを通過した冷媒を渦電流発熱機１０に送り、タービン膨張機９の回転力で回転する渦電流発熱機１０から発生する熱で冷媒の温度を高め、渦電流発熱機１０を通過した冷媒を圧縮機１に送る手段を採用した。
【発明の効果】
【００１２】
従って、本発明の請求項１記載の冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置によれば、冷媒の流動力を利用してタービン膨張機９を回転でき、このタービン膨張機９の回転力で、渦電流発熱機１０を回転させて熱を発生させられ、この熱で冷媒の温度を確実に高められるようになり、より効率が良く、安定したデフロストや暖房が行えるようになる。更に、寒冷下環境にあっても、冷凍サイクルの運転が可能となり、効率運転の維持や安定化も図れるようになる。
しかも、蒸発工程にあって蒸発熱源となる外部動力や外部熱源等が不要となり、構成が簡素となって、コンパクトに構成できるようになり、比較的低廉に提供できて、経済的な冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置となる。
【００１３】
加えて、熱自己平衡熱交換器８にあっては、一次側８ａと二次側８ｂの間に冷媒を膨張させるタービン膨張機９が配置してあり、タービン膨張機９を通過する冷媒を冷却して二次側８ｂに送込め、一次側８ａの冷媒を冷却すると共に、同等の熱エネルギーで二次側８ｂの冷媒を加熱することとなり、二次側８ｂに於いて通過する冷媒を安定的に蒸発気化させることができるようになる。
【００１４】
また、本発明の請求項２記載の冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置によれば、冷媒の流動力を利用してタービン膨張機９を回転でき、このタービン膨張機９の回転力で、渦電流発熱機１０を回転させて熱を発生させられ、この熱で冷媒の温度を確実に高められるようになり、より効率が良く、安定したデフロストが蒸気圧縮式冷凍機に於いて行えるようになる。
しかも、蒸発工程にあって蒸発熱源となる外部動力や外部熱源等が不要となり、構成が簡素となって、コンパクトに構成できるようになり、比較的低廉に提供できて、経済的となり、ホットガスによるデフロスト作動時に最適な冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置となる。
【００１５】
加えて、熱自己平衡熱交換器８にあっては、一次側８ａと二次側８ｂの間に冷媒を膨張させるタービン膨張機９が配置してあり、タービン膨張機９を通過する冷媒を冷却して二次側８ｂに送込め、一次側８ａの冷媒を冷却すると共に、同等の熱エネルギーで二次側８ｂの冷媒を加熱することとなり、二次側８ｂに於いて通過する冷媒を安定的に蒸発気化させることができるようになる。
【００１６】
更に、本発明の請求項３記載の冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置によれば、冷媒の流動力を利用してタービン膨張機９を回転でき、このタービン膨張機９の回転力で、渦電流発熱機１０を回転させて熱を発生させられ、この熱で冷媒の温度を確実に高められるようになり、より効率が良く、安定した暖房が蒸気圧縮式冷暖房機に於いて行えるようになる。
また、寒冷下環境にあっても、冷凍サイクルの運転が可能となり、効率運転の維持や安定化も図れるようになる。
しかも、蒸発工程にあって蒸発熱源となる外部動力や外部熱源等が不要となり、構成が簡素となって、コンパクトに構成できるようになり、比較的低廉に提供できて、経済的となり、ヒートポンプ暖房時に最適な冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置となる。
【００１７】
加えて、熱自己平衡熱交換器８にあっては、一次側８ａと二次側８ｂの間に冷媒を膨張させるタービン膨張機９が配置してあり、タービン膨張機９を通過する冷媒を冷却して二次側８ｂに送込め、一次側８ａの冷媒を冷却すると共に、同等の熱エネルギーで二次側８ｂの冷媒を加熱することとなり、二次側８ｂに於いて通過する冷媒を安定的に蒸発気化させることができるようになる。
【００１８】
そして、本発明の請求項４記載の冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置によれば、冷媒の流動力を利用してタービン膨張機９を回転でき、このタービン膨張機９の回転力で、渦電流発熱機１０を回転させて熱を発生させられ、この熱で冷媒の温度を確実に高められるようになり、より効率が良く、安定した暖房が暖房専用機に於いて行えるようになる。
更に、寒冷下環境にあっても、冷凍サイクルの運転が可能となり、効率運転の維持や安定化も図れるようになる。
しかも、蒸発工程にあって蒸発熱源となる外部動力や外部熱源等が不要となり、構成が簡素となって、コンパクトに構成できるようになり、比較的低廉に提供できて、経済的となり、暖房専用機によるヒートポンプ暖房に最適な冷凍サイクル用冷媒加熱補助装置となる。
【００１９】
加えて、熱自己平衡熱交換器８にあっては、一次側８ａと二次側８ｂの間に冷媒を膨張させるタービン膨張機９が配置してあり、タービン膨張機９を通過する冷媒を冷却して二次側８ｂに送込め、一次側８ａの冷媒を冷却すると共に、同等の熱エネルギーで二次側８ｂの冷媒を加熱することとなり、二次側８ｂに於いて通過する冷媒を安定的に蒸発気化させることができるようになる。
【００２０】
それから、本発明の請求項５記載の冷凍サイクル用冷媒加熱方法によれば、冷媒の流動力を利用してタービン膨張機９を回転でき、このタービン膨張機９の回転力で、渦電流発熱機１０を回転させて熱を発生させられ、この熱で冷媒の温度を確実に高められるようになり、より効率が良く、安定したデフロストや暖房が行えるようになる。更に、寒冷下環境にあっても、冷凍サイクルの運転が可能となり、効率運転の維持や安定化も図れるようになる。しかも、蒸発工程にあって蒸発熱源となる外部動力や外部熱源等が不要となり、経済的な手段となる。
【００２１】
加えて、前記蒸発器４からの冷媒を、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａに送って凝縮させ、この一次側８ａを通過した冷媒をタービン膨張機９に送って、タービン膨張機９を回転させると共に、タービン膨張機９で冷媒を膨張させ、タービン膨張機９を通過した冷媒を熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂに送って蒸発させるので、タービン膨張機９を通過する冷媒を冷却して二次側８ｂに送込め、一次側８ａの冷媒を冷却すると共に、同等の熱エネルギーで二次側８ｂの冷媒を加熱することとなり、二次側８ｂに於いて通過する冷媒を安定的に蒸発気化させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の冷媒加熱補助装置を組込んだ蒸気圧縮式冷凍機の冷媒回路図である。
【図２】本発明の冷媒過熱補助装置のタービン膨張機及び渦電流発熱機を例示する概略縦断正面図である。
【図３】本発明の冷媒加熱補助装置の渦電流発熱機を例示する概略縦断側面図である。
【図４】本発明の冷媒加熱補助装置を組み込んだ蒸気圧縮式冷凍機の冷凍サイクルのＰ-ｈ線図である。
【図５】本発明の冷媒加熱補助装置を組込んだ蒸気圧縮式冷暖房機の冷媒回路図である。
【図６】本発明の冷媒加熱補助装置を組込んだ蒸気圧縮式暖房専用機の冷媒回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を図示例に基づいて説明すると、次の通りである。
本発明の冷媒過熱補助装置は、蒸気圧縮式冷凍機や蒸気圧縮式冷暖房機や蒸気圧縮式暖房専用機等に組込まれて、冷凍庫や冷蔵庫のデフロストを行うときや、ヒートポンプ暖房を行うときや、温蔵庫内を加熱する際等に使用されるもので、蒸気圧縮式冷凍サイクル中の冷媒の凝縮潜熱を増加して圧縮機１に送れるように構成したものである。
具体的には、一次側８ａ及び二次側８ｂを有する一体の熱自己平衡熱交換器８と、この熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ入口がわに配されるタービン膨張機９と、このタービン膨張機９の回転力によって回転すると共に、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ出口がわに配される渦電流発熱機１０とを備えたものである。
そして、冷媒が、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａ、タービン膨張機９、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ、渦電流発熱機１０を順次経て送られるように形成すると共に、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機９の回転力で、渦電流発熱機１０を回転せしめられるように形成し、渦電流発熱機１０で発生する熱で冷媒の温度を高められるように構成したものである。
また、本発明の冷媒過熱方法は、蒸気圧縮式冷凍サイクル中の冷媒の凝縮潜熱を増加する方法である。
具体的には、冷媒を、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａに送って凝縮させ、この一次側８ａを通過した冷媒をタービン膨張機９に送って、タービン膨張機９を回転させると共に、タービン膨張機９で冷媒を膨張させ、タービン膨張機９を通過した冷媒を熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂに送って蒸発させ、この二次側８ｂを通過した冷媒を渦電流発熱機１０に送り、タービン膨張機９の回転力で回転する渦電流発熱機１０から発生する熱で冷媒の温度を高め、渦電流発熱機１０を通過した冷媒を圧縮機１に送るようにする方法である。
【実施例１】
【００２４】
図１に示す冷媒加熱補助装置は、圧縮機１と、凝縮器２と、膨張弁３と、蒸発器４とからなる冷凍サイクルに、圧縮機１で発生するホットガスを蒸発器４に直接送ることが可能なホットガス管５を設けてなる蒸気圧縮式冷凍機に組み込まれたもので、蒸気圧縮式冷凍機のホットガスによるデフロスト作動時に於いて、作動せしめられるようにしたものである。
すなわち、冷媒加熱補助装置は、蒸発器４と圧縮機１の間に切替弁７ａ、７ｂを介して直列状態に配されており、圧縮機１とホットガス管５と蒸発器４と冷媒加熱補助装置とを循環して流れる冷媒の凝縮潜熱を増加して圧縮機１に送れるように構成されたものである。
具体的には、一次側８ａ及び二次側８ｂを有する一体の熱自己平衡熱交換器８と、この熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ入口がわに配されるタービン膨張機９と、このタービン膨張機９の回転力によって回転すると共に、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ出口がわに配される渦電流発熱機１０とを備えたものである。
そして、前記蒸発器４からの冷媒が、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａ、タービン膨張機９、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ、渦電流発熱機１０を順次経て圧縮機１に送られるように形成し、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機９の回転力で、渦電流発熱機１０を回転せしめられるように形成し、渦電流発熱機１０で発生する熱で冷媒の温度を高められるように構成されている。
尚、前記蒸気圧縮式冷凍機に於いて、冷媒加熱補助装置は、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａが、凝縮器の働きをし、タービン膨張機９が膨張器の働きをし、二次側８ｂが蒸発器の働きをするようになり、これらと圧縮機１と蒸発器４（凝縮器）とで冷凍サイクルを構成するようになっている。
【００２５】
前記圧縮機１は、冷凍サイクル内の冷媒（低温・低圧の冷媒ガス）を圧縮して、高温・高圧の冷媒ガス（ホットガス）にできるように構成されたもので、前記凝縮器２は、高温・高圧の冷媒ガスから熱を放出させて、常温・高圧の液状冷媒にできるように構成されたもので、前記膨張弁３（エキスパンションバルブまたはキャピラリーチューブ）は、常温・高圧の液状冷媒を減圧と流量制御を行って低温・低圧のガス状冷媒にできるように構成されたもので、前記蒸発器４は、ガス状冷媒が熱（蒸発熱源）を吸収して、相変化（液状からガス状に変化）を維持するための蒸発工程構成部であり、通常は、この冷媒ガスが切替弁７ｂを介して圧縮機１に吸引されて、冷媒が圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４を循環する冷凍サイクルを構成している。すなわち、蒸発器４部分の熱交換によって冷凍庫内や冷蔵庫内を冷却（或いは、室内を冷房）できるようになっている。
【００２６】
前記ホットガス管５は、圧縮機１と凝縮器２の間に切替弁６ａを介してその一端が接続され、膨張弁３と蒸発器４の間にその他端が接続されて、圧縮機１から吐出されるホットガスを蒸発器４に直接送り込める（切替弁６ｂによって凝縮器２と膨張弁３にはホットガスが流れない）ようにしたもので、蒸発器４内にホットガスを送り込むと、蒸発器４が凝縮器となって、高温・高圧の冷媒ガスから熱を放出させ、蒸発器４部分の冷却器に付着している霜を溶解させる。
尚、蒸発器４を温蔵庫内や室内に設けることで、ホットガス管５によってホットガスを送り込むと、温蔵庫内を加熱させたり、暖房したりできるようになる。
【００２７】
前記熱自己平衡熱交換器８は、例えば、中央の仕切板によって一次側８ａと二次側８ｂを設けたもので、一次側８ａと二次側８ｂの熱交換が高効率で行えるものが採用される。
そして、前記蒸発器４からの冷媒（気液二層状態の冷媒）が切替弁７ａを介して一次側８ａ内に送られ、一次側８ａを通過した冷媒がタービン膨張機９を経て二次側８ｂ内に送られ、二次側８ｂを通過した冷媒が渦電流発熱機１０を経て圧縮機１に送られるようになる。
【００２８】
前記タービン膨張機９は、例えば、連結シャフト１３の一端に固定されると共に、隔壁１２で隔てられたケーシング１１内の一方がわに設けられ、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａから送られてくる冷媒がケーシング１１の冷媒導入口１４から導入されて冷媒吐出口１５から吐出されるように形成され、冷媒の流れによってスムーズに回転すると共に、この冷媒を膨張できるように構成されたものが採用される。
【００２９】
前記渦電流発熱機１０は、例えば、連結シャフト１３の他端に固定されると共に、隔壁１２で隔てられたケーシング１１内の他方がわに設けられ、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａからタービン膨張機９を経て送られてくる冷媒がケーシング１１の冷媒導入口１６から導入されて冷媒吐出口１７から出るように形成され、通過する冷媒を効率良く加熱できるように構成されたものが採用される。
尚、渦電流発熱機１０は、連結シャフト１３の他端に固定される回転盤１８と、Ｓ極、Ｎ極を交互にして回転盤１８に固定される複数の永久磁石１９と、回転盤１８を囲繞するように配される発熱盤２０とからなり、回転盤１８を回転させると、発熱盤２０を磁石１９のＳ極Ｎ極の磁力線が交互に横切るようになり、電磁誘導現象によって発熱盤２０に渦電流が発生し、この渦電流が熱エネルギーに変換されて発熱盤２０が発熱するように構成されている。
【００３０】
ところで、圧縮機１の具体的構成、凝縮器２の具体的構成、膨張弁３の具体的構成、蒸発器４の具体的構成、ホットガス管５の具体的構成、形状、配設位置、切替弁６ａ、６ｂの具体的構成、配設位置、数、切替弁７ａ、７ｂの具体的構成、配設位置、数、熱自己平衡熱交換器８の具体的構成、一次側８ａの具体的構成、二次側８ｂの具体的構成、タービン膨張機９の具体的構成、配設位置、渦電流発熱機１０の具体的構成、配設位置、ケーシング１１の具体的構成、形状、寸法、材質、配設位置、隔壁１２の具体的構成、形状、寸法、材質、配設位置、連結シャフト１３の具体的構成、形状、寸法、材質、冷媒導入口１４の具体的構成、形状、配設位置、冷媒吐出口１５の具体的構成、形状、配設位置、冷媒導入口１６の具体的構成、形状、配設位置、冷媒吐出口１７の具体的構成、形状、配設位置、回転盤１８の具体的構成、形状、寸法、材質、磁石１９の具体的構成、形状、寸法、材質、数、配設位置、発熱盤２０の具体的構成、形状、寸法、材質、配設位置等は図示例のもの等に限定されることなく適宜自由に設定、変更できるものである。
【実施例２】
【００３１】
図５は、本発明の冷媒加熱補助装置を組込んだ蒸気圧縮式冷暖房機の冷媒回路図で、この蒸気圧縮式冷暖房機は、圧縮機３０と、室内側熱交換器３１と、膨張弁３２ａ、３２ｂと、室外側熱交換器３３と、四方切替弁３４と、逆止弁３５ａ、３５ｂとを備えたもので、室内側熱交換器３１で室内の暖房を行う時には、冷媒が、圧縮機３０、四方切替弁３４、室内側熱交換器３１、逆止弁３５ａ、膨張弁３２ａ、室外側熱交換器３３、四方切替弁３４を経て圧縮機３０に流れるように構成されている。
また、室内側熱交換器３１で室内の冷房を行う時には、冷媒が、圧縮機３０、四方切替弁３４、室外側熱交換器３３、逆止弁３５ｂ、膨張弁３２ｂ、室内側熱交換器３１、四方切替弁３４を経て圧縮機３０に流れるように構成されている。
尚、図中Ｘは、屋内を示すもので、図中Ｙは、屋外を示すものである。
【００３２】
そして、冷媒加熱補助装置は、冷暖房機の暖房時に於いて作動せしめられ、蒸気圧縮式冷凍サイクル中の冷媒の凝縮潜熱を増加して圧縮機３０に送れるように、室外側熱交換器３３に対して切替弁３６を介して並列状態に配されている。
すなわち、切替弁３６を通過してきた冷媒が、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａ、タービン膨張機９、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ、渦電流発熱機１０を順次経て送られ、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機９の回転力で渦電流発熱機１０を回転せしめ、渦電流発熱機１０で発生する熱で冷媒の温度を高めて圧縮機３０に送れるように構成されている。
ところで、冷媒加熱補助装置は、蒸気圧縮式冷暖房機で暖房運転を行っていて、冷媒が、圧縮機３０、四方切替弁３４、室内側熱交換器３１、逆止弁３５ａ、膨張弁３２ａ、室外側熱交換器３３、四方切替弁３４、圧縮機３０と循環しているときに作動させるようにしても良いし、或いは、蒸気圧縮式冷暖房機で暖房運転を行っていて、冷媒が、膨張弁３２ａと室外側熱交換器３３に流れない状態のときに作動させるようにしても良い。
尚、前記蒸気圧縮式冷暖房機に於いて、冷媒加熱補助装置は、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａが、凝縮器の働きをし、タービン膨張機９が膨張器の働きをし、二次側８ｂが蒸発器の働きをするようになり、これらと圧縮機３０と室内側熱交換器３１（凝縮器）とで冷凍サイクルを構成するようになっている。
しかして、蒸気圧縮式冷暖房機で暖房運転を行っていて、室外側熱交換器３３に霜が氷結して、これを除霜（デフロスト）する際に、従来システムであれば、暖房運転を冷房運転に切り替えることによって除霜する（このとき、室内は暖房できない）必要があったが、図５に示す冷媒回路（蒸気圧縮式冷暖房機）にあっては、暖房運転を冷房運転に切り替える必要がなく、室内の暖房を継続できるようになる。しかも、渦電流発熱機１０で発生する熱で冷媒の温度を高めて圧縮機３０に送れ、暖房効果をより高めることもできる。
【実施例３】
【００３３】
図６は、本発明の冷媒加熱補助装置を組込んだ蒸気圧縮式暖房専用機の冷媒回路図で、この蒸気圧縮式暖房専用機は、圧縮機４０と、暖房用室内熱交換器４１とを備えたもので、暖房用室内熱交換器４１で室内の暖房を行う時には、冷媒が圧縮機４０から暖房用室内熱交換器４１に送られ、暖房用室内熱交換器４１から冷媒加熱補助装置に送られ、冷媒加熱補助装置から圧縮機４０に送られるように構成されている。
【００３４】
そして、冷媒加熱補助装置は、暖房用室内熱交換器４１からの冷媒が、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａ、タービン膨張機９、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ、渦電流発熱機１０を順次経て送られ、冷媒の流れによって回転するタービン膨張機９の回転力で渦電流発熱機１０を回転せしめ、渦電流発熱機１０で発生する熱で冷媒の温度を高めて圧縮機４０に送れるように構成されている。
尚、前記蒸気圧縮式暖房専用機に於いて、冷媒加熱補助装置は、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａが、凝縮器の働きをし、タービン膨張機９が膨張器の働きをし、二次側８ｂが蒸発器の働きをするようになり、これらと圧縮機４０と暖房用室内熱交換器４１（凝縮器）とで冷凍サイクルを構成するようになっている。
【００３５】
ところで、圧縮機３０の具体的構成、室内側熱交換器３１の具体的構成、膨張弁３２ａ、３２ｂの具体的構成、室外側熱交換器３３の具体的構成、四方切替弁３４の具体的構成、配設位置、逆止弁３５ａ、３５ｂの具体的構成、配設位置、数、切替弁３６の具体的構成、配設位置、数、圧縮機４０の具体的構成、暖房用室内熱交換器４１の具体的構成等は図示例のもの等に限定されることなく適宜自由に設定、変更できるものである。
【００３６】
また、本発明の冷媒過熱方法は、蒸気圧縮式冷凍機や蒸気圧縮式冷暖房機や蒸気圧縮式暖房専用機に利用されて、冷凍庫や冷蔵庫のデフロストを行うときや、ヒートポンプ暖房を行うときや、温蔵庫内を加熱する際等に利用できる方法である。
具体的には、先ず、冷媒（気液二層状態の冷媒）を、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａに送って凝縮させる。このとき、一次側８ａは未凝縮冷媒ガスの凝縮潜熱を含んだ熱量を蒸発熱源とし、二次側８ｂの蒸発工程を機能させる。
次に、この一次側８ａを通過した冷媒をタービン膨張機９に送って、タービン膨張機９を回転させると共に、タービン膨張機９で冷媒を減圧・膨張させて冷却する。
そして、タービン膨張機９を通過した冷媒を熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂに送って蒸発させる。このとき、熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａでは、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂで蒸発冷却した冷媒が冷却熱源となって、一次側８ａ内の未凝縮冷媒ガスを冷却凝縮させる。すなわち、一次側８ａは補助（二段目の）凝縮器の機能を有し、二次側８ｂは蒸発器の機能を有する。
それから、二次側８ｂを通過した冷媒を渦電流発熱機１０に送り、タービン膨張機９の回転力で回転する渦電流発熱機１０から発生する熱で、冷媒の温度を高める。
更に、渦電流発熱機１０を通過した冷媒を圧縮機１に送る。
【００３７】
ところで、熱自己平衡熱交換器８に於ける機能ついて図１のデフロスト作動時の場合で説明すると、先ず、初期的段階で熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａに送られるのは高圧で高温（常温）の不完全凝縮の冷媒ガス（ホットガスと冷媒液）である。デフロスト作用をした冷媒ガスは放熱し、その冷却による凝縮をして一部液となっている。
この不完全凝縮冷媒ガスは熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａ出口より送られて二次側８ｂへ送られるが、このときタービン膨張機９を通過し、その通過時に一部液化されている冷媒が蒸発し、気化相変化する。
この蒸発によって、熱自己平衡熱交換器８の二次側８ｂ内の冷媒ガスは、中間プレートを介して一次側８ａに送られてくる不完全凝縮冷媒ガスを熱交換して冷却され、一次側８ａ内での冷媒ガスの凝縮を促進させる。この時に、一次側８ａ内に流入してくる不完全凝縮冷媒ガスは高温（常温）のため、二次側８ｂ内の冷媒ガスの蒸発作用の気化熱源となる。
一次側８ａでは送られてくる不完全凝縮冷媒ガスが冷却され、より凝縮が促進されることで、この一次側８ａには凝縮された冷媒の液が経時変化と共に増量していく。
熱自己平衡熱交換器８の一次側８ａに凝縮された冷媒の液が増量されると、二次側８ｂにおける蒸発能力も伴って増加され、更に、一次側８ａにおける不完全凝縮ガスの凝縮を促進させる。
上記した経時変化により増進されていく機能は、一次側８ａが二次側８ｂの蒸発熱源となり、二次側８ｂの蒸発作用は一次側８ａの凝縮熱源となって安定され、二次側８ｂで蒸発気化された冷媒ガスは渦電流発熱機１０で加熱されてから圧縮機１へ吸引され、圧縮、循環されることとなる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の冷媒加熱補助装置や冷媒加熱方法によれば、より効率が良く、安定したデフロストや暖房が行え、寒冷下環境にあっても、冷凍サイクルの運転が可能となり、蒸発工程にあって蒸発熱源となる外部動力や外部熱源等が不要となり、経済的な装置及び方法となる。加えて、ヒートポンプによる加熱効率は、電気入力の場合の３〜４倍の効果があり、省エネルギーの実現に役立つものとなる。
【符号の説明】
【００３９】
１      圧縮機
２      凝縮器
３      膨張弁
４      蒸発器
５      ホットガス管
６ａ    切替弁
６ｂ    切替弁
７ａ    切替弁
７ｂ    切替弁
８      熱自己平衡熱交換器
８ａ    一次側
８ｂ    二次側
９      タービン膨張機
１０    渦電流発熱機
１１    ケーシング
１２    隔壁
１３    連結シャフト
１４    冷媒導入口
１５    冷媒吐出口
１６    冷媒導入口
１７    冷媒吐出口
１８    回転盤
１９    磁石
２０    発熱盤
３０    圧縮機
３１    室内側熱交換器
３２ａ  膨張弁
３２ｂ  膨張弁
３３    室外側熱交換器
３４    四方切替弁
３５ａ  逆止弁
３５ｂ  逆止弁
３６    切替弁
４０    圧縮機
４１    暖房用室内熱交換器
【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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