(57)【要約】【課題】本発明は、非常に高い圧力に圧縮する必要がある二酸化炭素等の自然作動媒体Ｘを用いた場合においても、その作動媒体Ｘの漏洩による効率低下を防止することができる圧縮式ヒートポンプシステム１００を実現することを目的とする。【解決手段】循環流路７，８，９，１０の所定の部位１０を流通する作動媒体Ｘの圧力が、所定の部位に対して設定されている設定圧力となるように、作動媒体Ｘを循環流路７，８，９，１０に補充する補充手段６０を備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体が、圧縮部、放熱部、膨張部、吸熱部の順に夫々を循環する循環流路を備えた圧縮式ヒートポンプシステムであって、
前記循環流路の所定の部位を流通する前記作動媒体の圧力が、前記所定の部位に対して設定されている設定圧力となるように、前記作動媒体を前記循環流路に補充する補充手段を備えた圧縮式ヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記補充手段が、前記所定の部位としての前記循環流路の前記膨張部から前記圧縮部に至る低圧側流路の圧力が前記低圧側流路に対して設定されている設定圧力となるように、前記作動媒体を前記低圧側流路に補充する手段である請求項１に記載の圧縮式ヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記作動媒体が二酸化炭素であると共に、前記圧縮部の駆動源がエンジンであり、
前記補充手段が、前記循環流路に補充する二酸化炭素を、前記エンジンの排ガスから分離して生成する二酸化炭素生成手段を備えて構成されている請求項１又は２に記載の圧縮式ヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記補充手段が、前記圧縮部と共通の駆動源の駆動力により駆動し、前記二酸化炭素生成手段で生成した二酸化炭素を圧縮する圧縮手段を備えて構成されている請求項３に記載の圧縮式ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動媒体が、圧縮部、放熱部、膨張部、吸熱部の順に夫々を循環する循環流路を備えた圧縮式ヒートポンプシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の作動媒体としてフロン等の人工作動媒体を用いる圧縮式ヒートポンプシステムは、作動媒体を循環流路に循環させて、気相状態の作動媒体をコンプレッサ（圧縮部）で圧縮した後に放熱器（放熱部）で放熱して冷却して液相状態とし、冷却後の作動媒体液を膨張弁（膨張部）で減圧した後に吸熱器（吸熱部）で蒸発させて大気から蒸発潜熱を奪い気相状態とするように構成されており、上記フロン等の人工作動媒体を気相状態と液相状態との間で変化させる際の吸熱・放熱を利用して、上記吸熱器から放熱器側に熱を強制的に移動させるように構成されている。
【０００３】
また、近年、オゾン層保護や地球温暖化防止の観点から、圧縮式ヒートポンプシステムの作動媒体として、フロンのような人工作動媒体ではなく、二酸化炭素のような自然作動媒体の適用が注目されており、このような二酸化炭素を作動媒体として適用した圧縮式ヒートポンプシステムが実用化されている。
【０００４】
かかる自然作動媒体としての二酸化炭素の臨界点温度は、上記フロン等の人工作動媒体よりも低いので、例えば夏季等の外気温が高いときには、放熱器での二酸化炭素の温度が二酸化炭素の臨界点温度よりも高くなり、放熱器において、二酸化炭素が液相状態とならないことがある。
従って、二酸化炭素等の自然作動媒体を用いた圧縮式ヒートポンプシステムでは、十分な能力を発揮するために、コンプレッサの動作圧（作動媒体の吐出圧力）を１０ＭＰａ程度と極めて高く設定する場合がある。
【０００５】
一方、圧縮式ヒートポンプシステムのコンプレッサの回転駆動源を、外部に設置されたエンジン等の外部回転駆動源とする場合には、当該コンプレッサを、圧縮用の圧縮回転子を回転させるための駆動軸の連結部が本体外に露出した外部駆動型のコンプレッサとして構成する必要があり、その駆動軸と本体との間には、本体内の圧縮回転子側から駆動軸に沿って作動媒体が外部に流出することを防止するための公知のメカニカルシール等の軸シール部が設けられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
フロン等の人工作動媒体を用いる圧縮式ヒートポンプシステムでは、動作圧が３ＭＰａ程度と比較的低いので、コンプレッサの軸シール部等において作動媒体の流出を容易に抑制することができるが、二酸化炭素等の自然作動媒体を用いる圧縮式ヒートポンプシステムでは、動作圧が１０ＭＰａ程度と極めて高いので、コンプレッサの軸シール部等において作動媒体が外部に流出することを十分に抑制するのは困難である。
【０００７】
そして、このように作動媒体が漏洩して圧縮式ヒートポンプシステムの作動媒体の圧力が減少すると、ヒートポンプシステムにおけるＣＯＰの低下を招き、更に、放熱器において生成可能な最高湯水温度が低下する場合がある。尚、ＣＯＰとは、ヒートポンプシステムの成績係数を示し、コンプレッサ駆動動力を熱量に換算したものに対する放熱器で放熱した熱量の比で表される。
【０００８】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、非常に高い圧力に圧縮する必要がある二酸化炭素等の自然作動媒体を用いた場合において、その作動媒体の漏洩による効率低下を防止することができる圧縮式ヒートポンプシステムを実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの第一特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、前記循環流路の所定の部位を流通する前記作動媒体の圧力が、前記所定の部位に対して設定されている設定圧力となるように、前記作動媒体を前記循環流路に補充する補充手段を備えた点にある。
【００１０】
即ち、上記第一特徴構成の圧縮式ヒートポンプシステムによれば、上記補充手段により、循環流路の作動媒体が上記圧縮部等のシール部を介して漏洩しても、その漏洩分の作動媒体を循環流路に自動的に補充して、上記循環流路の所定の部位の圧力を、高効率を維持するためにその部位に対して設定されている設定圧力に維持して、効率低下を防止することができる。
【００１１】
本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの第二特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項２に記載した如く、上記第一特徴構成に加えて、前記補充手段が、前記所定の部位としての前記循環流路の前記膨張部から前記圧縮部に至る低圧側流路の圧力が前記低圧側流路に対して設定されている設定圧力となるように、前記作動媒体を前記低圧側流路に補充する手段である点にある。
【００１２】
即ち、上記第二特徴構成の圧縮式ヒートポンプシステムによれば、比較的低圧な上記低圧側流路の圧力を比較的簡単且つ安価な圧力検出手段等で検出すると共に、その検出した低圧側流路の圧力が所定の設定圧力となるように、作動媒体を低圧側流路に比較的低い補充圧力で簡単に補充することができる。従って、上記補充手段を簡単且つ安価なものに構成することができる。
【００１３】
本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの第三特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項３に記載した如く、上記第一乃至第二特徴構成に加えて、前記作動媒体が二酸化炭素であると共に、前記圧縮部の駆動源がエンジンであり、
前記補充手段が、前記循環流路に補充する二酸化炭素を、前記エンジンの排ガスから分離して生成する二酸化炭素生成手段を備えて構成されている点にある。
【００１４】
即ち、上記第三特徴構成の圧縮式ヒートポンプシステムによれば、作動媒体として圧縮部で高圧に圧縮する必要があり漏洩する可能性が高い二酸化炭素を用いた場合でも、上記補充手段により循環流路に二酸化炭素を補充して、効率低下を防止することができる。
更に、上記圧縮部の駆動源をエンジンとした場合には、上記二酸化炭素生成手段を設けることにより、そのエンジンから排出される排ガスから二酸化炭素を分離して生成し、その生成した二酸化炭素を上記循環流路に補充することができ、別途補充用の二酸化炭素を準備する必要がなくなる。
【００１５】
本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの第四特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項４に記載した如く、上記第三特徴構成に加えて、前記補充手段が、前記圧縮部と共通の駆動源の駆動力により駆動し、前記二酸化炭素生成手段で生成した二酸化炭素を圧縮する圧縮手段を備えて構成されている点にある。
【００１６】
即ち、上記第四特徴構成の圧縮式ヒートポンプシステムによれば、上記二酸化炭素生成手段でエンジンの排ガスから生成した二酸化炭素を上記循環流路へ補充する場合に、上記圧縮手段を設けることにより、別途駆動源を設けることなくエンジンの駆動力の一部を利用して上記生成した二酸化炭素を圧縮し、高圧の二酸化炭素を循環流路の設定圧力より高い補充圧力で循環流路に補充することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示す圧縮式ヒートポンプシステム１００は、公知のごとく、作動媒体Ｘが、コンプレッサ２（圧縮部）、放熱器３（放熱部）、膨張弁４（膨張部）、吸熱器５（吸熱部）の順に夫々を循環する構成とされており、吸熱器５において作動媒体Ｘが吸熱し、放熱器３において作動媒体Ｘが放熱する。
【００１８】
ここで、吸熱器５における吸熱対象としては、大気を想定しており、吸熱器５には気−液熱交換器が採用される。また、放熱器３における加熱対象は、給湯用の湯水であり、放熱器３には液−液熱交換器が採用される。
【００１９】
作動媒体Ｘは、自然作動媒体としての二酸化炭素である。
各機器での状態について説明すると、吸熱器５からコンプレッサ２へ接続された管材で構成される循環流路７においては、温度が４℃程度且つ圧力が４ＭＰａ程度の作動媒体Ｘが流通し、コンプレッサ２から放熱器３へ接続された管材で構成される循環流路８においては、温度が８０℃程度且つ圧力が９．０〜１０ＭＰａ程度の作動媒体Ｘが流通し、放熱器３から膨張弁４へ接続された管材で構成される循環流路９においては、温度が４℃程度且つ圧力が９．０〜１０ＭＰａ程度の作動媒体Ｘが流通し、膨張弁４から吸熱器５に接続された管材で構成される循環流路１０においては、温度が４℃程度且つ圧力が４ＭＰａ程度の作動媒体Ｘが流通するように、コンプレッサ２，２０の動作圧（作動媒体Ｘの吐出圧力）及び膨張弁４の設定差圧等が設定されている。
【００２０】
コンプレッサ２は、公知のベーンロータリーコンプレッサとして構成されており、コンプレッサ２の駆動軸２１が、外部回転駆動源としてのエンジン２５の駆動軸２６にベルト２７を介して回転駆動される。
【００２１】
圧縮式ヒートポンプシステム１００は、上記循環流路７，８，９，１０の所定の部位を流通する作動媒体Ｘの圧力が、その所定の部位に対して設定されている設定圧力となるように、作動媒体Ｘを上記所定の部位に補充する補充手段６０を備えて構成されている。そして、この補充手段６０を備えることにより、高圧な作動媒体Ｘがコンプレッサ２の駆動軸２１の軸シール部等を介して漏洩しても、その漏洩分の作動媒体Ｘを上記循環流路７，８，９，１０の所定の部位に自動的に補充することができ、上記循環流路７，８，９，１０の圧力を、高効率を維持するための高圧に維持して、作動媒体Ｘの漏洩による効率低下を防止することができる。
【００２２】
また、補充手段６０は、膨張弁４の出口側からコンプレッサ２に至る低圧側流路の一部である循環流路１０の圧力が、その循環流路１０に対して設定されている設定圧力（例えば、４ＭＰａ）となるように、二酸化炭素である作動媒体Ｘを循環流路１０に補充する手段として構成されている。
【００２３】
詳しくは、補充手段６０は、二酸化炭素である作動媒体Ｘを圧縮する圧縮装置４５（圧縮手段）と、圧縮装置４５で圧縮した作動媒体Ｘを循環流路１０の設定圧力（例えば、４ＭＰａ程度）より高い補充圧力で貯留するタンク等の貯留部４８と、その貯留部４８に貯留された作動媒体Ｘを循環流路１０に導く供給流路４９と、供給流路４９に設けられ循環流路１０側の圧力が上記設定圧力未満となったときに供給流路４９における作動媒体Ｘの流通を許容し、逆に、循環流路１０側の圧力が上記設定圧力より高くなったときに供給流路４９における作動媒体Ｘの流通を阻止する圧力調整弁５０とを備えて構成されている。
このような補充手段６０により、上記圧縮装置４５及び上記貯留部４８及び圧力調整弁４９は、比較的低い補充圧力の作動媒体Ｘを生成及び貯留すると共に、循環流路１０の圧力を比較的低い設定圧力に設定するような簡単且つ安価な構成のものを利用できる。
【００２４】
補充手段６０の圧縮装置４５は、その駆動軸４６が、ヒートポンプ側のコンプレッサ２を駆動するエンジン２５の駆動軸２６にベルト４７を介して回転駆動し、コンプレッサ２と共通の駆動力により駆動するように構成されている。
【００２５】
更に、補充手段６０は、エンジン２５から排出された排ガスＹを、排ガス流路２８を介して取込み、循環流路１０に補充するための二酸化炭素をその排ガスＹから分離して生成し、供給流路４３を介して上記圧縮装置４５に送り込む二酸化炭素生成手段３０を備えて構成されている。
【００２６】
二酸化炭素生成手段３０は、二酸化炭素を大量に吸収できる吸収液Ｚを排ガスＹと接触させて、吸収液Ｚ中に排ガスＹ中の二酸化炭素を取込む吸収器３１と、二酸化炭素を取込んだ吸収液Ｚを加熱して、二酸化炭素を回収する再生器３５とを備え、所謂ガス吸収法を用いて、上記排ガスＹから二酸化炭素を生成するように構成されている。
【００２７】
そして、このような二酸化炭素生成手段３０により、駆動源としてエンジン２５を備えた圧縮式ヒートポンプシステム１００において、そのエンジン２５から排出される排ガスＹから二酸化炭素を分離して生成し、その生成した二酸化炭素を圧縮装置４５で圧縮した後に上記循環流路１０に補充することができ、別途補充用の二酸化炭素を準備する必要がなくなる。
【００２８】
尚、上記二酸化炭素生成手段３０の再生器３５の熱源としては、上記エンジン２５の排熱、即ち、エンジン２５から排出される排ガスや冷却水の熱等を用いることができる。
【００２９】
また、上記貯留部４８に貯留される二酸化炭素の圧力が上記循環流路１０の設定圧力より高い補充圧力となるように、上記貯留部４８側の圧力が上記補充圧力より高くなったときに開弁して貯留部４８から流路５２を介して外部に二酸化炭素を放出する圧力調整弁５３を備えても構わない。また、上記流路５２を介して放出された二酸化炭素は、冷却材としての固体二酸化炭素の製造用や農作物の育成用等の別用途で利用することができる。
【００３０】
〔別実施の形態〕
上記実施の形態では、二酸化炭素生成手段３０を、ガス吸収法により排ガスＹから二酸化炭素を生成するものとしたが、別に、二酸化炭素生成手段３０を、吸着法や膜分離法等のその他の方法により、排ガスＹから二酸化炭素を生成するように構成しても構わない。
【００３１】
上記実施の形態では、循環流路１０の圧力を設定圧力に設定するために、循環流路１０側の圧力変動により開閉し、循環流路１０側の圧力を設定圧力とする圧力調整弁５０を用いたが、圧力調整弁５０の代わりに、制御装置等からの制御信号により開閉可能な制御弁を供給流路４９に設け、循環流路１０の圧力を検出する圧力センサの検出結果に基づいて供給流路４９に設けた制御弁をフィードバック制御して、循環流路１０の圧力を設定圧力に設定しても構わない。
【００３２】
上記実施の形態では、補充手段６０を、作動媒体Ｘを比較的低圧な循環流路１０に補充するように構成したが、別に、作動媒体Ｘを同じく低圧な循環流路７や他の循環流路８，９に供給するように上記補充手段６０を構成しても構わない。また、補充手段６０は、循環流路１０以外の循環流路７，８，９がその循環流路７，８，９に対して設定されている設定圧力（例えば、循環流路７に対しては４ＭＰａ程度、循環流路８，９に対しては９ＭＰａ程度）となるように、循環流路１０やその他の循環流路７，８，９に作動媒体Ｘを補充するように構成しても構わない。
【００３３】
上記実施形態において、作動媒体Ｘを二酸化炭素としたが、別に、本発明において利用される作動媒体は通常のヒートポンプシステムで利用される作動媒体であればよく、更に、作動媒体Ｘとして、エタン、キセノン、亜酸化窒素等を利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮式ヒートポンプの構成を示す図
【符号の説明】
２：コンプレッサ（圧縮部）
３：放熱器（放熱部）
４：膨張弁（膨張部）
５：吸熱器（吸熱部）
７，８，９，１０：循環流路
２５：エンジン
２８：排ガス流路
３０：二酸化炭素生成手段
３１：吸収器
３５：再生器
４５：圧縮装置（圧縮手段）
４６：駆動軸
４７：ベルト
４８：貯留部
４９：供給流路
５０：圧力調整弁
６０：補充手段
１００：圧縮式ヒートポンプシステム
Ｘ：作動媒体
Ｙ：排ガス
Ｚ：吸収液
【図１】
2004163037.tif 000003