(57)【要約】【課題】冷媒を圧縮して熱を汲み上げる圧縮式ヒートポンプにおいて、圧縮機の高温化を抑える。【解決手段】ヒートポンプ２０は、貯湯タンク１０の下側部から取り込んだ液相の水を減圧させる膨張弁２１（膨張手段）と、減圧後の水が蒸発する蒸発器２２（蒸発手段）と、この蒸発器２２に接続された圧縮機２３（圧縮手段）とを備えている。圧縮機２３は、蒸発器２２から水蒸気と液相の水とを吸い込んで加圧し、この加圧中に水蒸気を凝縮させて液単相としたうえで、貯湯タンク１０の上側部へ吐出するように動作する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮して熱を汲み上げるヒートポンプであって、液相の冷媒を減圧させる膨張手段と、減圧後の冷媒が蒸発する蒸発手段と、この蒸発手段に接続された圧縮手段とを備え、この圧縮手段が、上記蒸発手段から気相冷媒と液相冷媒を吸い込んで加圧し、この加圧中に気相冷媒を凝縮させて液単相としたうえで吐出するように動作することを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
上記膨張手段と圧縮手段を操作することにより、圧縮手段から吐出される液相冷媒の温度と流量を制御する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】
上記冷媒が水であって、上記圧縮手段が、水をその所望温度での凝縮圧力以上に加圧して吐出す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。
【請求項４】
上記冷媒が水であって、上記圧縮手段が、上記蒸発手段からの水蒸気を圧縮して凝縮させる第１圧縮手段と、この第１圧縮手段により液単相となった水を更に加圧して吐出する第２圧縮手段とで構成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、冷媒を圧縮して熱を汲み上げる圧縮式ヒートポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のヒートポンプは、液相の冷媒を膨張機で膨張減圧させ、蒸発器で蒸発させて気相にする。この気相冷媒を圧縮機で吸い込んで圧縮した後、凝縮器に導いて凝縮させる。そして、蒸発時の採熱により冷房をしたり、凝縮時の凝縮熱により給湯や暖房をしたりすることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来構造では、凝縮器での熱交換ロスがあった。また、圧縮機から高圧側へ体積の大きい気相冷媒を押し込んで吐出しなければならないので、必要動力が増大するという問題があった。さらに、圧縮機が気相冷媒の断熱圧縮により極めて高温になるという問題もあった。（例えば、冷媒が水の場合、２００℃にもなる。）
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明は、冷媒を圧縮して熱を汲み上げるヒートポンプであって、液相の冷媒を減圧させる膨張手段と、減圧後の冷媒が蒸発する蒸発手段と、この蒸発手段に接続された圧縮手段とを備え、この圧縮手段が、上記蒸発手段から気相冷媒と液相冷媒を吸い込んで加圧し、この加圧中に気相冷媒を凝縮させて液単相としたうえで吐出するように動作することを特徴とする。これによって、圧縮手段の内部において気相冷媒の凝縮熱が液相冷媒の加温に使われ、冷媒温度が所望温度を越えて不必要に上昇するのを抑えることができ、成績係数を向上できるとともに圧縮手段の高温化を抑えることができる。また、圧縮手段から冷媒が液単相で吐出されるので、凝縮器が不要になるだけでなく、体積の大きい気相成分を高圧側へ押し込むエネルギーが不要となり、動力を減らすことができる。また、圧縮手段に液相成分が入ることにより、漏れの防止や油滑にも寄与することができる。
【０００５】
ここで、上記膨張手段と圧縮手段を操作することにより、圧縮手段から吐出される液相冷媒の温度と流量を制御することが望ましい。すなわち、膨張手段や圧縮手段によって蒸発手段から吸込まれる液相冷媒及び気相冷媒の量を変えることができ、ひいては圧縮手段からの吐出液相冷媒の温度や流量を調節することができる。
【０００６】
汲み上げた熱を与える（または熱が捨てられる）流体と上記冷媒とが同一物質であることが望ましい。さらに、上記流体と冷媒が水であることが望ましい。そうすると、圧縮手段から液相の高温水が吐出され、この高温水をそのまま給湯用水等に利用することができるので、熱交換ロスが無く、熱効率を向上させることができる。この場合、上記圧縮手段が、水をその所望温度での凝縮圧力以上に加圧して吐出するようにしてもよい。これによって、液相の水を高温高圧で貯え、給湯等に供することができる。或いは、上記圧縮手段が、上記蒸発手段からの水蒸気を圧縮して凝縮させる第１圧縮手段と、この第１圧縮手段により液単相となった水を更に加圧して吐出する第２圧縮手段とで構成されていてもよい。これによって、水蒸気の圧縮凝縮と液相の水の加圧とを順次別途に行なうことができ、それぞれに適した圧縮手段を用いることができ、凝縮及び加圧の操作を確実に実行することができる。
【０００７】
汲み上げた熱を与える（または熱が捨てられる）流体と上記冷媒が異なる物質であり、圧縮手段から吐出された液相冷媒と上記流体とが熱交換する熱交換手段を更に備えることにしてもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１に示すように、給湯システムＳ１は、給湯用水を貯える貯湯タンク１０と、給湯用水を加熱する水冷媒ヒートポンプ２０と、この水冷媒ヒートポンプ２０の熱源としてのフロンヒートポンプ３０とを備えている。貯湯タンク１０の下端部に、給水路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。給湯用水は、貯湯タンク１０の下側部では常温（例えば２０℃程度）になっているが、貯湯タンク１０の上側部では、後述するヒートポンプ２０の加熱操作によって例えば９０℃程度の高温になっている。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によって給湯に供されるようになっている。給湯タンク１０の内圧は、後記圧縮機２３によって例えば２００ｋＰａ程度になっている。
【０００９】
熱源としてのフロンヒートポンプ３０は、フロンを冷媒とするヒートポンプであり、膨張弁３１と蒸発器３２と圧縮機３３と凝縮器３４を順次環状に接続することによって構成されている。フロンは、蒸発器３２で蒸発して外気から採熱し、凝縮器３４で凝縮して放熱するようになっている。凝縮器３４は、コイル管状をなし、水冷媒ヒートポンプ２０の後記蒸発器２２に熱的に接続されている。
【００１０】
水冷媒ヒートポンプ２０は、本発明の要部に係る圧縮式ヒートポンプである。このヒートポンプ２０は、水を冷媒及び加熱対象（汲み上げた熱を与える対象）とし、膨張弁２１（膨張手段）と蒸発器２２（蒸発手段）と圧縮機２３（圧縮手段）を順次接続することによって構成されている。膨張弁２１と圧縮機２３とが貯湯タンク１０に接続されている。
【００１１】
詳述すると、貯湯タンク１０の下側部から取水路２４ａが延び、膨張弁２１の一次ポートに連なっている。膨張弁２１の二次ポートから減圧路２４ｂが延び、容器状をなす蒸発器２２の下端部に連なっている。蒸発器２２の内部には、液相の冷媒用水がほぼ満杯になるまで溜められるとともに、上記フロンヒートポンプ３０のコイル管からなる凝縮器３４が上下に延びるようにして収容（熱的に接続）されている。
【００１２】
蒸発器２２の上端部から吸込み路２４ｃが延び、圧縮機２３の吸込みポートに連なっている。この圧縮機２３は、例えばレシプロ型の真空ポンプで構成されている。圧縮機２３の吐出ポートから吐出路２４ｄが延び、貯湯タンク１０の上端部に連なっている。吐出路２４ｄには、水温センサ４１（吐出温度検出手段）が設けられている。
【００１３】
更に、給湯システムＳ１には、制御装置４０（制御手段）が設けられている。制御装置４０は、出力すなわち吐出路２４ｄから貯湯タンク１０へ送られる水の流量と温度が所望になるようにヒートポンプ２０，３０を制御する。所望水温は、例えば９０℃に設定されている。
【００１４】
上記のように構成された給湯システムＳ１の動作を図２のモリエル線図を参照して説明する。
制御装置４０によって水冷媒ヒートポンプ２０の圧縮機２３が駆動されると、貯湯タンク１０の下側部の約２０℃、２００ｋＰａの水が取水路２４ａに取り込まれる（図２の▲１▼の状態）。そして、膨張弁２１で約２０ｋＰａまで減圧された後（図２の▲２▼の状態）、減圧路２４ｂを経て蒸発器２２の下部に注入され、蒸発器２２内の冷媒用水と混ざり合う。
【００１５】
蒸発器２２には、フロンヒートポンプ３０で汲み上げられた熱が供給されている。すなわち、制御装置４０は、フロンヒートポンプ３０の圧縮機３３をも駆動する。これによって、フロンが、膨張弁３１で膨張され、蒸発器３２で蒸発して外気から採熱し、圧縮機３３で圧縮された後、上下に延びるコイル管状の凝縮器３４内を上から下に流れながら凝縮する。この凝縮熱が蒸発器２２の液相の冷媒用水に受け渡されることにより、冷媒用水が加温され、約６０℃の飽和液線上に達する（図２の▲３▼の状態）。そして、蒸発器２２内で冷媒用水の蒸発が起き、水蒸気の多数の気泡が水面へ向かって上昇する。この気泡が水面から上がる時、それと一緒に微細な水滴のしぶきが多数舞い上がる。これによって、水蒸気（気相の水）と微細水滴（液相の水）との気液混合流体が、水面のすぐ近くに臨む吸込み路２４ｃ内に吸い込まれ、圧縮機２３の吸込みポートへ導かれる（図２の▲４▼の状態）。そして、圧縮機２３によって加圧され、この加圧の途中で約９０℃、７０ｋＰａ（所望温度での凝縮圧力）の飽和液線上に達する（図２の▲５▼の状態）。これによって、気液混合流体中の水蒸気が凝縮して水滴に溶け込み、流体全体が液単相になる。この時発生した凝縮熱は、水滴に受け渡され、水滴の加熱に用いられる。これによって、圧縮中に冷媒温度が所望温度を越えて不必要に上昇するのを抑えることができ、圧縮機２３の高温化を抑えることができる。しかも、水は大きな比熱を有しているので、凝縮熱を十分に吸収することができ、圧縮機２３の高温化を確実に抑えることができる。また、圧縮機２３から体積の小さな液相の水だけを吐出すればよいので、高圧側への冷媒の押し込み仕事を減らすことができる。さらに、圧縮機２３に液相成分が入ることにより、漏れ防止や潤滑を図ることができる。
【００１６】
液単相になった水は、その後も圧縮機２３によって更に加圧される。これによって、約９０℃、２００ｋＰａ（所望温度での凝縮圧力以上）の高温高圧水になって圧縮機２３の吐出ポートから吐出される（図２の▲６▼の状態）。この高温高圧水が、吐出路２４ｄを経て貯湯タンク１０の上側部に給湯用水として貯えられる。高温の冷媒用水をそのまま給湯用水に利用することができるので、熱交換のロスが無く、熱効率を大きく向上させることができる。また、水冷媒ヒートポンプ２０では、圧縮機２３の内部で蒸気の凝縮がなされるので、凝縮器が不要であり、構成の簡素化及び製造コストの低廉化を図ることができる。
【００１７】
なお、図２において、破線は等温度線であり、二点鎖線は圧縮時の等エントロピー線であり、▲７▼は、その等エントロピー線と６０℃の等温度線との交点であり、▲８▼は、６０℃の等温度線と飽和蒸気線との交点である。図２の▲１▼〜▲８▼の各点における諸種の状態量は表１の通りである。圧縮機２３の単位吸引体積当たりの損失は、７０ｋＪ／ｍ３としてある。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
この表１から成績係数ＣＯＰ＝（Ｈ６−Ｈ３）／（Ｈ６−Ｈ４）を求めると、ＣＯＰ＝４．６８８となる。一般的なヒートポンプのＣＯＰは、３．０程度であるから、ＣＯＰを大きく向上できることがわかる。
【００２０】
次に、制御装置４０による出力制御方法を説明する。
ここで、圧縮機２３の吐出水温が所望温度（９０℃）を上回ったものとする。この温度上昇が吐出路２４ｄの水温センサ４１で検出され、制御装置４０に入力される。これに応答して、制御装置４０は、膨張弁２１の開度を大きくする。これによって、蒸発器２２の水面が上昇し、より多くの微細水滴が圧縮機２３に吸い込まれる。この多量の水滴に水蒸気の凝縮熱が案分される。これによって、圧縮機２３の吐出水温を下げることができる。
逆に、吐出水温が所望温度（９０℃）を下回ったときは、膨張弁２１を絞る。これによって、蒸発器２２の水面が下がり、圧縮機２３の水滴の吸込み量が減る。よって、吐出水温を上昇させることができる。この結果、貯湯タンク１０の上側部の貯湯温度を所望の９０℃に維持することができる。
【００２１】
また、水冷媒ヒートポンプ２０から貯湯タンク１０への高温水の流量を増やす場合には、圧縮機２３の出力を高める。これによって、蒸発器２２の圧力が下がり、水の蒸発量が増える。したがって、圧縮機２３による水蒸気の吸込み量が増え、吐出水量すなわち貯湯タンク１０への流量が増える。一方、圧縮機２３での水蒸気吸込み量の増加に伴って、凝縮熱の量も増え、吐出水温が上昇する。この水温上昇に応じて、上述の通り、膨張弁２１の開度を大きくする。これによって、水温を所望温度に戻すことができる。
逆に、タンク１０に貯湯される水の流量を減らす場合には、圧縮機２３の出力を下げる。これによって、蒸発器２２の圧力が上がり、蒸発量が減る。したがって、圧縮機２３による水蒸気の吸込み量、ひいてはタンク１０への流量が減る。同時に凝縮熱の量が減少し、吐出水温が低下する。これに応じて、膨張弁２１を絞ることにより、吐出水温を所望温度に戻すことができる。
このように、圧縮機２３と膨張弁２１を操作することにより、貯湯タンク１０への水の流量と温度を所望になるように調節することができる。
【００２２】
次に、本発明の第２実施形態を図３にしたがって説明する。この実施形態において既述の実施形態と重複する構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を省略する。
図３に示すように、第２実施形態に係るヒートポンプ給湯システムＳ２は、水冷媒ヒートポンプ２０の圧縮手段が２段構成になっている点で、１段だけの前記システムＳ１と異なっている。詳述すると、システムＳ２のヒートポンプ２０には、蒸発器２２の上端部と貯湯タンク１０の上端部との間に、２つの圧縮機２３Ａ，２３Ｂが直列に配されている。蒸発器２２側の第１圧縮機２３Ａ（第１圧縮手段）は、例えばスクロール型真空ポンプで構成されている。第１圧縮機２３Ａの吸込みポートには、吸込み路２４ｃが連なる一方、吐出ポートから連通路２４ｅが延びている。この連通路２４ｅが、貯湯タンク１０側の第２圧縮機２３Ｂ（第２圧縮手段）の吸込みポートに連なっている。第２圧縮機２３Ｂは、液体ポンプで構成されている。この第２圧縮機２３Ｂの吐出ポートから吐出路２４ｄが延びている。
【００２３】
第１圧縮機２３Ａは、蒸発器２２から水蒸気と微細水滴との気液混合流体を吸い込む。そして、水蒸気を圧縮して凝縮させ、水滴に溶け込ませる。これによって、流体全体が約７０ｋＰａ、９０℃の液単相になる。この液単相の水が、第１圧縮機２３Ａから吐出され、連通路２４ｅを経て、第２圧縮機２３Ｂへ送られる。第２圧縮機２３Ｂは、この液相の水を加圧し、約２００ｋＰａ、９０℃の高圧高温にする。この高圧高温水が、吐出路２４ｄを経て貯湯タンク１０の上側部に貯湯される。
第２実施形態によれば、水蒸気の圧縮凝縮と液相の水の加圧とを順次別途に行なうものであるので、それぞれに適した圧縮機を用いることができ、凝縮及び加圧の操作を確実に実行することができる。
【００２４】
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、水冷媒ヒートポンプ２０の蒸発手段の熱源として、フロンヒートポンプ３０に代えて燃料電池や太陽熱集熱器を用いてもよい。
本発明に係るヒートポンプの冷媒は、水に限られず、フロン等の他の物質を用いることもできる。
本発明は、給湯だけでなく暖房や冷房その他の用途に適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧縮手段の内部において気相冷媒の凝縮熱が液相冷媒の加温に使われ、冷媒温度が所望温度を越えて不必要に上昇するのを抑えることができ、成績係数を向上できるとともに圧縮手段の高温化を抑えることができる。また、圧縮手段に液相成分が入ることにより、漏れの防止や油滑にも寄与することができる。さらに、圧縮手段から冷媒が液単相で吐出されるので、凝縮器が不要になり、設備コストを低廉化できるだけでなく、体積の大きい気相成分を高圧側へ押し込むエネルギーが不要となり、動力を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ給湯システムの概略構成図である。
【図２】上記システムの水冷媒ヒートポンプにおける冷媒用水のモリエル線図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ給湯システムの概略構成図である。
【符号の説明】
Ｓ１，Ｓ２　ヒートポンプ給湯システム
１０　貯湯タンク
２０　水冷媒ヒートポンプ
２１　膨張弁（膨張手段）
２２　蒸発器（蒸発手段）
２３　圧縮機（圧縮手段）
２３Ａ　第１圧縮機（第１圧縮手段）
２３Ｂ　第２圧縮機（第２圧縮手段）
３０　フロンヒートポンプ（熱源）
４０　制御装置
４１　水温センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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