(57)【要約】エキスパンダにより、蒸気圧縮システム内の高圧部と低圧部との間における冷媒の膨張および流れが制御される。エキスパンダによりシャフトが駆動され、次いで、シャフトにより摩擦発熱器内の摩擦ディスクが駆動される。摩擦ディスクとプレートとの間の摩擦接触により熱が生じる。摩擦発熱器により、水回路に熱が伝えられて、水の温度が上昇する。
2007519846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の流れに応じて移動可能な第１の部材と、
前記部材により駆動されるとともに熱を生じさせる摩擦装置と、
を備える蒸気圧縮システムのエキスパンダアッセンブリ。
【請求項２】
前記第１の部材が、シャフトに接続されたブレード付部材を備え、前記ブレード付部材が、冷媒の流れに応じて回転可能であることを特徴とする請求項１に記載のエキスパンダアッセンブリ。
【請求項３】
前記第１の部材が、冷媒の流れに応じてシリンダ内を移動可能なピストンを備えることを特徴とする請求項１に記載のエキスパンダアッセンブリ。
【請求項４】
前記第１の部材が、冷媒の流れに応じて回転可能なベーン部を有するシャフトを備えることを特徴とする請求項１に記載のエキスパンダアッセンブリ。
【請求項５】
前記摩擦装置が伝熱面を備えることを特徴とする請求項１に記載のエキスパンダアッセンブリ。
【請求項６】
前記伝熱面が、水と熱交換を行うように機能することを特徴とする請求項５に記載のエキスパンダアッセンブリ。
【請求項７】
前記摩擦装置が、熱を発生させるように回転可能な摩擦ディスクを備えることを特徴とする請求項１に記載のエキスパンダアッセンブリ。
【請求項８】
前記摩擦ディスクにより生じる熱が、前記摩擦ディスク上に加わる荷重と関連していることを特徴とする請求項７に記載のエキスパンダアッセンブリ。
【請求項９】
前記摩擦ディスク上の前記荷重を制御する荷重発生装置を備える請求項８に記載のエキスパンダアッセンブリ。
【請求項１０】
前記荷重発生装置により、前記冷媒の膨張を制御するように、前記摩擦ディスク上に加わる荷重が変わることを特徴とする請求項８に記載のエキスパンダアッセンブリ。
【請求項１１】
前記エキスパンダアッセンブリにより、前記蒸気圧縮システムの高圧部と低圧部との間における冷媒の膨張が制御されることを特徴とする請求項１に記載のエキスパンダアッセンブリ。
【請求項１２】
冷媒の膨張を制御するエキスパンダと、
前記エキスパンダ内の前記冷媒により駆動されるとともに熱を生じさせる摩擦装置と、
を備えるヒートポンプ水加熱器アッセンブリ。
【請求項１３】
前記エキスパンダが、冷媒の流れに応じて回転可能な回転可能部材を備えることを特徴とする請求項１２に記載のヒートポンプ水加熱器アッセンブリ。
【請求項１４】
前記摩擦装置が、伝熱面を備えることを特徴とする請求項１２に記載のヒートポンプ水加熱器アッセンブリ。
【請求項１５】
前記伝熱面が、水と熱交換を行うように機能することを特徴とする請求項１４に記載のヒートポンプ水加熱器アッセンブリ。
【請求項１６】
前記伝熱面が、水回路内の水に隣接するとともに、水に熱を伝えることを特徴とする請求項１５に記載のヒートポンプ水加熱器アッセンブリ。
【請求項１７】
前記摩擦装置が、熱を発生させるように回転可能な摩擦ディスクを備えることを特徴とする請求項１２に記載のヒートポンプ水加熱器アッセンブリ。
【請求項１８】
前記摩擦ディスクにより生じる前記熱が、前記摩擦ディスクに加わる荷重により制御されることを特徴とする請求項１７に記載のヒートポンプ水加熱器アッセンブリ。
【請求項１９】
前記摩擦ディスク上の前記荷重を制御する荷重発生装置を備える請求項１８に記載のヒートポンプ水加熱器アッセンブリ。
【請求項２０】
前記荷重発生装置により、前記冷媒の膨張を制御するように、前記摩擦ディスク上に加わる荷重が変わることを特徴とする請求項１８に記載のヒートポンプ水加熱器アッセンブリ。
【請求項２１】
トランスクリティカル蒸気圧縮システムを備える請求項１２に記載のヒートポンプ水加熱器アッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮システムに関し、特に、ヒートポンプ水加熱システム用エキスパンダに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、ヒートポンプ水加熱システムに利用される蒸気圧縮システムは、システムの高圧部と低圧部との間における冷媒の流れを調節するエキスパンダを備える。蒸気圧縮システムの高圧部と低圧部との間を流れる冷媒は、冷媒の等エントロピーまたは自由膨張でエネルギーを放出する。通常、膨張する冷媒によって放出されるエネルギーは失われる。
【０００３】
ヒートポンプ水加熱システムは、水用回路内で水を加熱する蒸気圧縮システムを備える。次いで、水回路内の加熱された水によって、温水タンク内の水が加熱される。システムの効率は、システムによりもたらされる仕事量に対するシステムへのエネルギー入力量によって決まる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
システム内のエネルギー損失により、効率が全体的に低下する。システム効率を改善することにより、ヒートポンプ水加熱システムの作動寿命が向上する。
【０００５】
したがって、エキスパンダ内の冷媒により放出されるエネルギーを回収するシステムを設計することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、水用回路内の水を加熱する発熱装置を駆動させるように、冷媒が膨張する際に放出されるエネルギーを回収するヒートポンプ温水加熱システム用エキスパンダに関する。
【０００７】
ヒートポンプ水加熱システムは、温水タンク内の水を加熱するように、水回路に熱を伝える冷媒回路を備える。冷媒回路は、圧縮機、熱交換器、エキスパンダおよび蒸発器を備える。水回路は、熱交換器を通るとともに、冷媒回路と熱接触する。エキスパンダにより、システムの高圧部と低圧部との間における冷媒の膨張および流れが制御される。
【０００８】
エキスパンダは、冷媒の膨張をシャフトの回転に変換する装置を備える。冷媒回路の高圧部から低圧部に流れる膨張した冷媒により、シャフトの回転に変換されるエネルギーが生じ、シャフトの回転により、摩擦発熱器内の摩擦部材が回転する。摩擦部材の面に設けられた摩擦材料は、固定部材と接触する。摩擦部材と固定部材との間の摩擦接触により、熱が生じる。摩擦発熱器により、水の温度を上昇させるように水回路内の水に熱が伝えられる。水の温度が上昇することにより、熱交換器に要求される熱交換量が減少し、システム全体の効率が向上する。
【０００９】
したがって、本発明のエキスパンダにより、水回路内の水を加熱する摩擦発熱器を駆動させるように、冷媒の膨張時に放出されるエネルギーが回収される。
【００１０】
本発明の種々の特徴および利点は、現在の好ましい実施例の詳細な説明により当業者に明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面については以下で簡単に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を参照すると、ヒートポンプ水加熱器１０は、蒸気圧縮回路１４を備える。蒸気圧縮回路１４により水回路２２に熱が伝えられ、次いで、水回路２２により水タンク２３内の水が加熱される。ポンプ２５により、水が水回路２２内を循環する。蒸気圧縮回路１４内の冷媒は、エキスパンダ１８を通って回路１４の高圧部と低圧部との間を移動する。システム１４は、圧縮機１２から排出される際に臨界圧を超える冷媒を利用する。冷媒が二酸化炭素（ＣＯ2）であることが望ましいが、他の冷媒を用いるシステムであっても、本発明の開示から利益を受けるであろう。
【００１２】
回路１４は、圧縮機１２、熱交換器１６、エキスパンダ１８、および蒸発器２０を備える。水回路２２は、熱交換器１６を通るとともに、冷媒用回路１４と熱接触する。冷媒は、蒸発器２０内の熱を吸収し、エンタルピーが増加する。圧縮機１２により、冷媒の圧力が増加し、その結果、温度が上昇する。高圧高温の冷媒により、熱交換器１６内における水回路２２内の水に対して熱が放出される。高圧で低温の冷媒は、エキスパンダ１８に流入して、膨張する。冷媒は、低圧低温でエキスパンダ１８から流出する。エキスパンダ１８により、水回路２２内の水を加熱するように、冷媒の自由膨張によるエネルギーを利用する摩擦発熱器２６が駆動する。
【００１３】
図２を参照すると、エキスパンダ１８は、蒸気圧縮回路１４の高圧部から低圧部に流れる膨張冷媒により駆動されるロータ２８を備える。ロータ２８は、膨張する冷媒に応じて回転する形状を備えて半径方向に延びる複数のベーン３０を備えることが望ましい。ロータ２８のサイズおよび特定の形状は、用途によって異なり、本開示から利益を受ける同業者でれば、膨張エネルギーを最適に得るロータ２８の構成が分かるであろう。ロータ２８は、シャフト３２を回転させるように取付けられる。シャフト３２は、エキスパンダから延びるとともに、摩擦発熱器２６内の摩擦ディスク３４を駆動する。
【００１４】
シャフト３２により、摩擦発熱器２６内に配設された摩擦ディスク３４が回転する。摩擦ディスク３４上に設けられた摩擦材料３６は、摩擦ディスク３４と共に回転しないように固定されたプレート３８に接触する。プレート３８は、摩擦材料３６を備える。駆動部４０により、摩擦ディスク３４とプレート３８との間に加わる荷重が制御される。摩擦ディスク３４とプレート３８との間の摩擦接触により、熱が生じる。生じる熱量は、摩擦ディスク３４とプレート３８との間に加わる荷重によって異なる。
【００１５】
摩擦発熱器２６は、水回路２２を通流する水の流れの間に配設されることが望ましい。摩擦発熱器２６は、水回路２２への伝熱を最大限にする伝熱面４２を備える。水回路２２に対して熱が移動することにより、水の温度が上昇する。
【００１６】
運転中、エキスパンダ１８を通流する冷媒により、ロータ２８が回転する。次いで、ロータ２８が回転することにより、摩擦発熱器２６内の摩擦ディスク３４が回転する。駆動部４０により、プレート３８が軸方向に移動して摩擦ディスク３４と接触する。摩擦ディスク３４とプレート３８との間の接触により、熱が生じる。生じた熱は、伝熱面４２を介して水回路２２内を通流する水に伝えられ、水の温度が上昇する。
【００１７】
駆動部４０により、摩擦ディスク３４とプレート３８との間に加わる荷重の量が制御される。摩擦ディスク３４とプレート３８との間の荷重の量を変えることにより、発熱が制御される。さらに、荷重が加わることにより、ロータ２８の回転に対する抵抗が増す。摩擦ディスク上の荷重を変えることにより、冷媒の高圧側の圧力および流量が制御される。荷重が増すと、冷媒の流量が減少する一方、冷媒の高圧側の圧力が増加する。摩擦ディスク３４上の荷重が減少すると、冷媒の流量が増加する一方、冷媒の高圧側の圧力が減少する。
【００１８】
また、荷重を変えることにより、発熱に影響が及ぶ。荷重がさらに減少すると、摩擦ディスク３４とプレート３８との間の係合が離れていき、発熱量が減少する。冷媒の高圧側の圧力および発熱を最適化するために要求される特定の荷重は、エネルギーが最適に回収されるように連続的に調節される。本開示から利益を受ける当業者であれば、冷媒の膨張および発熱を制御する駆動部４０のプログラム方法および制御方法を理解されるであろう。
【００１９】
図３を参照すると、本発明による他のエキスパンダ１８’が概略的に図示されおり、エキスパンダ１８’は、冷媒の膨張に応じてチャンバ５３内を移動するピストン５０を備える。チャンバ５３は、入口５６および出口５８を備える。冷媒１４の流れは、ピストン５０を動かすためにバルブを順次的に開閉することにより規制される。ピストン５０の動きは、連接棒５２および揺動接続部５４を介してシャフト３２に伝わる。シャフト３２が回転することにより、摩擦発熱器２６内の摩擦ディスク３４が回転する。
【００２０】
図４を参照すると、さらに別のエキスパンダ１８”が図示されており、エキスパンダ１８”は、ブレード付シャフト６０を有する。ブレード付シャフト６０は、シャフト６０の周囲で半径方向に延びるベーン６２を備える。膨張する冷媒１４によりベーン６２が回転し、これにより、シャフト６０が回転するように、シャフト６０の軸６４を中心にベーン６２が延びている。次いで、シャフト６０により、摩擦発熱器２６から延びているシャフト３２が回転する。シャフト６０は、シャフト３２の一部であってもよいし、シャフト３２を駆動するように接続された独立のシャフトであってもよい。
【００２１】
冷媒の膨張をシャフト３２の回転に変換するエキスパンダ１８の具体例を開示してきたが、本開示から利益を受ける当業者であれば、他のエキスパンダの形態が本発明の意図する範囲内にあることを理解されるであろう。
【００２２】
本発明のエキスパンダ１８により、高圧から低圧に冷媒が膨張する際に放出されるエネルギーが回収される。摩擦発熱器２６により、膨張する冷媒から放出されたエネルギーが変換され、水回路２２内の水がさらに加熱される。水がさらに加熱されることにより、全システム効率が向上する。
【００２３】
前述の説明は、例示的なものであり、材料仕様書ではない。例示的な方法で、本発明を説明してきたが、使用した専門用語は、限定するためではなく、説明を目的として用いていることを理解されたい。上記の教示を踏まえて、本発明の多くの修正形態および変更形態が可能である。本発明の好ましい実施例を開示したが、当業者であれば変更形態が本発明の範囲内にあることを理解されるであろう。本発明は、具体的に記載したように添付の特許請求の範囲の範囲内で実施される。そのため、本発明の真の範囲および内容を決定するように添付の特許請求の範囲を検討されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるエキスパンダを備えるヒートポンプシステムの概略図。
【図２】本発明によるエキスパンダおよび発熱器の概略図。
【図３】本発明による他のエキスパンダの概略図。
【図４】本発明によるさらに別のエキスパンダの概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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