(57)【要約】【課題】冷媒と被加熱流体の熱交換効率を高め、ＣＯＰを向上できるヒートポンプを提供する。【解決手段】ヒートポンプ２０は、減圧弁２１と蒸発器２２と圧縮機２３と熱交換器２４とを順次環状に接続することにより構成されている。蒸発器２２には、液相フロンに多量の潤滑油を混ぜた液状冷媒が略満杯に貯えられている。圧縮機２３は、蒸発したフロン（気体状冷媒）だけでなく、液状冷媒をも多量に吸込む。これにより、圧縮に伴い冷媒全体の乾き度が減少していく。対向流型の熱交換器２４は、圧縮機２３から吐出された液状冷媒の顕熱を給湯用水等の被加熱流体に受け渡させる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を用いて熱を汲み上げて被加熱流体に与えるヒートポンプにおいて、
減圧手段と蒸発手段と圧縮手段と熱交換手段とを順次環状に接続してなり、
上記蒸発手段には、上記減圧手段で減圧後の液状の冷媒が貯えられるとともに、この液状冷媒の蒸発が起き、
上記圧縮手段は、上記蒸発した気体状冷媒を吸込んで圧縮するだけでなく、上記液状冷媒をも吸込むように動作され、しかもこの液状冷媒の吸込み量が、圧縮に伴い冷媒全体の乾き度を減少させる程度に多く、これにより、冷媒全体が略液状になって圧縮手段から吐出され、
上記熱交換手段では、上記液状冷媒と被加熱流体とが互いに対向する向きに流れ、液状冷媒の顕熱が被加熱流体に受け渡されることを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
上記冷媒は、蒸発・凝縮可能な主冷媒と不揮発性の液体とを含み、しかも、不揮発性液体の含有割合が、上記圧縮手段での乾き度を不揮発性液体単独で減少させ得る程度に大きいことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
【請求項３】
上記冷媒に、不凝縮性気体が混入されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷媒を蒸発させた後圧縮して熱を汲み上げ、この熱で例えば給湯用水等の被加熱流体を加温する圧縮式ヒートポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、圧縮式ヒートポンプは、膨張弁と蒸発器と圧縮機と凝縮器とを順次環状に接続することによって構成されている（例えば特許文献１参照）。冷媒には、フロン等が用いられている。この冷媒が、膨張弁で膨張、減圧された後、蒸発器で蒸発して気体状となる。この気体状冷媒が、圧縮機に吸い込まれて圧縮される。この時、冷媒は、ほぼ完全に乾いた状態であり、若干の液成分が混じっていたとしても圧縮の過程で気化される。圧縮機から吐出された気体状冷媒は、凝縮器で凝縮し、この凝縮熱により給湯用水等の被加熱流体が加熱される。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１６２１２３（第２頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来構造では、圧縮機の内部で、気体状の冷媒が過度に高温になって分解や化学変化を起こす可能性がある。これを防ぐために圧縮度を抑える必要があり、例えば給湯器に適用した場合には高温の湯を得ることができなかった。また、凝縮器における冷媒の凝縮温度は一定であるのに対し、被加熱流体は凝縮器に沿って流れるにしたがって温度変化していくため、高温の冷媒と低温の被加熱流体との間に大きな温度差が形成され、エントロピーが増大して効率低下を招いていた。さらに、膨張弁においては、気化された冷媒と膨張弁のオリフィス（絞り通路）の内周面との間で摩擦が生じるため、ここでもエントロピーが増大して効率が低下していた。その結果、ＣＯＰ（成績係数）を高めるのが容易でなかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、本発明は、冷媒を用いて熱を汲み上げて被加熱流体に与えるヒートポンプにおいて、減圧手段と蒸発手段と圧縮手段と熱交換手段とを順次環状に接続してなり、上記蒸発手段には、上記減圧手段で減圧後の液状の冷媒が貯えられるとともに、この液状冷媒の蒸発が起き、上記圧縮手段は、上記蒸発した気体状冷媒を吸込んで圧縮するだけでなく、上記液状冷媒をも吸込むように動作され、しかもこの液状冷媒の吸込み量が、圧縮に伴い冷媒全体の乾き度を減少させる程度に多く、これにより、冷媒全体が略液状になって圧縮手段から吐出され、上記熱交換手段では、上記液状冷媒と被加熱流体とが互いに対向する向きに流れ、液状冷媒の顕熱が被加熱流体に受け渡されることを特徴とする。この特徴構成によれば、圧縮手段において気体状の冷媒を凝縮させて、そのエンタルピーを液状冷媒に移すことができ、気体状冷媒の過度の高温化を防止できるとともに液状冷媒を加温することができる。そして、冷媒全体を殆ど液状にして圧縮手段から吐出することができ、この液状冷媒の顕熱を対向流型の熱交換手段において被加熱流体に受け渡すことにより、エントロピーの増大を抑え、熱交換効率を高めることができる。更に、減圧手段では、冷媒の気化割合を小さくして冷媒全体を略液状に維持でき、エントロピーの増大を抑え、効率を高めることができる。この結果、ＣＯＰを高めることができる。
【０００６】
上記冷媒は、フロン等の蒸発・凝縮可能な主冷媒と、圧縮手段用潤滑油等の不揮発性の液体とを含み、しかも、不揮発性液体の含有割合が、上記圧縮手段での乾き度を不揮発性液体単独で減少させ得る程度に大きいことが望ましい。これにより、フロン等の主冷媒の量を減らすことができ、環境に与える影響を小さくでき、コスト低減を図ることができる。
熱交換手段においては、液状冷媒（液相の主冷媒と不揮発性液体との混合液）の比熱流量が、被加熱流体の比熱流量と等しくなるようにするのが望ましい。これによって、熱交換効率を一層高めることができる。
【０００７】
上記冷媒に、空気等の不凝縮性気体が混入されていることが望ましい。これにより、圧縮手段における液状冷媒に対する圧縮を防止して、圧縮手段を保護することができる。不凝縮性気体の混入量は、圧縮工程の最終段で液状冷媒と略同じ体積になる程度が望ましい。これにより、圧縮手段を確実に保護できるとともに、効率の低下を防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明を適用した給湯用ヒートポンプシステムＳ１を示したものである。システムＳ１は、貯湯タンク１０と、ヒートポンプ２０とを備えている。
【０００９】
貯湯タンク１０の下端部に、給水路（市水路）１１が接続されている。この給水路１１から貯湯タンク１０内に市水が給湯用水として供給され、貯留されている。貯湯タンク１０の下側部の水は、常温になり、上側部の水は、後述するヒートポンプ２０の加熱操作によって高温になっている。この高温水が、貯湯タンク１０の上端部から延びる給湯路１２を介して浴槽や厨房などの給湯設備（温水利用設備）へ供給されるようになっている。
【００１０】
次に、ヒートポンプ２０について説明する。
ヒートポンプ２０は、減圧弁２１（減圧手段）と、蒸発器２２（蒸発手段）と、圧縮機２３（圧縮手段）と、熱交換器２４（熱交換手段）を順次環状に接続してなる冷媒循環路を有している。ヒートポンプ２０の冷媒は、フロン（蒸発・凝縮可能な主冷媒）に、圧縮機２３用の潤滑油（不揮発性液体）を多量に混合することによって構成されている。
【００１１】
詳細な図示は省略するが、減圧弁２１は、オリフィス状の絞り通路に冷媒を通して減圧させるようになっている。冷媒と絞り通路の内周面との間では摩擦が生じることとなる。
【００１２】
蒸発器２２は、タンク状をなしている。この蒸発器２２の下側部に減圧弁２１の二次ポートが連なり、上側部に圧縮機２３の吸込みポートが連なっている。蒸発器２２の内部には、液相のフロンと潤滑油との混合液からなる液状冷媒がほぼ満杯に貯えられている。さらに、蒸発器２２には、液相フロンの蒸気圧を高める熱源３０が熱的に接続されている。すなわち、蒸発器２２内に放熱管３１が収容され、この放熱管３１と熱源３０との間で熱媒が循環されるようになっている。図において、符号３２は、上記熱媒の循環用ポンプである。熱源３０には、燃料電池や太陽熱集熱器を用いることができる。
【００１３】
圧縮機２３は、冷媒を蒸発器２２から吸込んで圧縮・加圧し、熱交換器２４へ吐出するようになっている。
【００１４】
熱交換器２４は、一対の伝熱路２４ａ，２４ｂを有している。一方の伝熱路２４ａの上流端は、圧縮機２３の吐出ポートに連なるとともに、下流端は、減圧弁２１の一次ポートに連なっている。これにより、圧縮機２３から吐出された冷媒が、伝熱路２４ａに通された後、減圧弁２１へ送られるようになっている。他方の伝熱路２４ｂの上流端は、貯湯タンク１０の下側部に連なり、下流端は、貯湯タンク１０の上側部に連なっている。図において、符号１３は、送水ポンプであり、この送水ポンプ１３によって、貯湯タンク１０の下側部の給湯用水が、伝熱路２４ｂに通された後、貯湯タンク１０の上側部へ送られる。伝熱路２４ａ内における冷媒と、伝熱路２４ｂ内における給湯用水とは、互いに逆向き（対向方向）に流れる。これによって、対向流型熱交換器が構成されている。
【００１５】
さらに、システムＳ１には、減圧弁２１、圧縮機２３、ポンプ１３，３２等を制御するコントローラ２５（制御手段）が設けられている。
【００１６】
上記のように構成された給湯用ヒートポンプシステムＳ１の動作を説明する。蒸発器２２内の液状冷媒（液相フロンと潤滑油の混合液）は、熱源３０から採熱して蒸気圧が高められる。これによって、液相フロンの蒸発が促進される。一方、潤滑油は、蒸発することなく、液状を維持している。これによって、蒸発器２２内の液状冷媒の大半が、潤滑油で占められることになる。コントローラ２５は、減圧弁２１の開度を調節したり圧縮機２３の回転数を調節したりすることによって、蒸発器２２内の液状冷媒がほぼ満杯に維持されるように制御している。これにより、圧縮機２３は、気体状冷媒（気相フロン）を吸込むだけでなく、ほぼ潤滑油だけになった液状冷媒をも多量に吸込む。
【００１７】
圧縮機２３は、この気液混合冷媒を圧縮、加圧する。このとき、気体状冷媒から圧縮熱が生じる。この圧縮熱は、多量の液状冷媒によって十分に吸収することができる。これによって、気体状冷媒が過度に高温化するのを防止でき、分解や化学変化が起きるのを防止できる。また、気体状冷媒を圧縮中に凝縮させ、冷媒全体の乾き度を減少させることができる。更に、気体状冷媒の凝縮熱で液状冷媒を加温することができる。このようにして、気体状冷媒のエンタルピーを液状冷媒に移すことができる。
【００１８】
そして、略全体が高温の液状になった冷媒が、圧縮機２３から吐出され、熱交換器２４の伝熱路２４ａに導かれる。また、送水ポンプ１３によって、貯湯タンク１０の下側部の給湯用水が伝熱路２４ｂに導かれる。これによって、液状冷媒と給湯用水が、互いに対向する向きに流れながら、液状冷媒の顕熱が給湯用水へ受け渡される。（ヒートポンプ２０で汲み上げられた熱が給湯用水に渡される。）よって、液状冷媒は、伝熱路２４ａ内を流れるにしたがって冷却され、給湯用水は、伝熱路２４ｂ内を液状冷媒とは逆方向に流れるにしたがって加温される。これによって、液状冷媒と給湯用水の温度差を伝熱路２４ａ，２４ｂの全長にわたってほぼ一定にすることができる。この結果、エントロピーの増大を抑制できるとともに、熱交換効率を向上させることができる。
【００１９】
また、コントローラ２５による圧縮機２３や送水ポンプ１３の制御によって、伝熱路２４ａにおける液状冷媒の比熱流量と、伝熱路２４ｂにおける給湯用水の比熱流量とが略等しくなるように調節される。これによって、熱交換効率を一層向上させることができる。こうして、給湯用水を所望の温度まで加温して貯湯タンク１０の上側部に送り、給湯に供することができる。
なお、圧縮機２３からの吐出冷媒に、気相フロンが含まれていた場合には、伝熱路２４ａにおいて凝縮され、冷媒が完全に液状になる。
【００２０】
その後、液状冷媒は、減圧弁２１に導かれて減圧される。この冷媒には、不揮発性の潤滑油が多量に含まれているため、冷媒全体の減圧に伴う気化割合が、フロンだけで構成される場合より非常に小さい。これによって、冷媒と減圧弁２１の絞り通路の内周面との間で摩擦が生じたとしても、エントロピーの増大量を極めて小さくすることができる。
この結果、ヒートポンプ２０のＣＯＰを大きく向上させることができる。本システムＳ１では、効率を原理的に可逆過程の効率まで高めることができる。
【００２１】
ヒートポンプ２０によれば、冷媒として、フロンに多量の潤滑油を混ぜることによって、フロン自体の量を減らすことができ、環境への影響を最小限に抑えることができる。しかも、潤滑油によって、圧縮機２３の潤滑を図ることができるのは勿論、圧縮機２３からのフロンの漏れ防止をも図ることができ、環境への影響を一層確実に防止することができる。
【００２２】
本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の形態を採用可能である。
例えば、フロン等の主冷媒と潤滑油等の不揮発性液体との混合冷媒に、更に、空気等の不凝縮性気体を混入することにしてもよい。この不凝縮性気体が冷媒と一緒に蒸発器２２から圧縮機２３に吸込まれることにより、圧縮機２３が液状冷媒を圧縮しようとするのを防ぐことができ、圧縮機２３の破損を防止できる。この不凝縮性気体の混入量は、圧縮機２３による圧縮工程の最終段で液状冷媒と略同じ体積になる程度が望ましい。これにより、圧縮手段の破損を確実に防止できるとともに、効率の低下を防止することができる。
冷媒として水を用い、蒸発器２２から水蒸気（気体状冷媒）だけでなく液相の水（液状冷媒）をも圧縮機２３へ吸込ませることにしてもよい。
本発明は、給湯だけでなく、暖房用システムにも適用できる。この場合、ヒートポンプと暖房機との間を循環する熱媒が、被加熱流体となる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧縮手段において気体状の冷媒を凝縮させて、そのエンタルピーを液状冷媒に移すことができ、気体状冷媒の過度の高温化を防止できるとともに液状冷媒を加温することができる。そして、冷媒全体を殆ど液状にして圧縮手段から吐出することができ、この液状冷媒の顕熱を対向流型の熱交換手段において被加熱流体に受け渡すことにより、エントロピーの増大を抑え、熱交換効率を高めることができる。更に、減圧手段では、冷媒の気化割合を小さくして冷媒全体を略液状に維持でき、エントロピーの増大を抑え、効率を高めることができる。この結果、ＣＯＰを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムの概略構成図である。
【符号の説明】
Ｓ１　給湯用ヒートポンプシステム
１０　貯湯タンク
２０　ヒートポンプ
２１　減圧弁（減圧手段）
２２　蒸発器（蒸発手段）
２３　圧縮機（圧縮手段）
２４　熱交換器（熱交換手段）
２５　コントローラ（減圧手段や圧縮手段の制御手段）
【図１】
2004144378.tif 000003