(57)【要約】【課題】被加熱流体を加温するための圧縮式ヒートポンプにおいて、圧縮機の吐出し体積を小さくし、圧縮動力を低減するとともに、製品コストの低廉化を図る。【解決手段】給湯用水（被加熱流体）を加温するためのヒートポンプ３０は、ヘリカル型の圧縮機３０を備えている。この圧縮機３０の圧縮機構は、蒸発器２２からの冷媒を圧縮室３０ａに吸込んで閉じ込めるとともに、圧縮室３０ａを螺旋状に移動させながら容積縮小させる。圧縮機３０のシリンダ３２の外周には、給湯用水を上記圧縮室３０ａの移動方向と同方向に通す伝熱管３６が螺旋状に巻き付けられている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を蒸発器で蒸発させた後、圧縮機で圧縮することにより、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、
上記圧縮機が、上記蒸発器からの冷媒を閉じ込める圧縮室を形成するとともにこの圧縮室を移動させながら容積縮小させる圧縮機構と、上記被加熱流体を上記圧縮室の移動方向と略同方向に通しながら上記冷媒と熱交換させる熱交換通路とを有していることを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
上記圧縮機が、圧縮室をロータ軸に沿って螺旋状に移動させるヘリカル型ないしはスクリュー型の圧縮機構を有し、上記熱交換通路が、上記ロータ軸に沿ってストレートまたは螺旋状に延びてい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】
上記圧縮機が、圧縮室を渦巻き状に移動させるスクロール型の圧縮機構を有し、上記熱交換通路が、上記渦巻き状移動方向に沿う渦巻き状に形成されてい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４】
上記冷媒と被加熱流体が同一物質であり、上記蒸発器から気相冷媒だけでなく冷媒の液滴をも上記圧縮機に吸い込ませることにより、上記圧縮室が、上記熱交換通路を兼ね、上記液滴が、上記被加熱流体として提供されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか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）。冷媒は、膨張弁で膨張され、蒸発器で採熱して蒸発した後、圧縮機に吸い込まれて圧縮される。こうして高圧になった気相冷媒が、凝縮器に送られて凝縮し、放熱する。凝縮器は、給湯用水等の被加熱流体を通す流体通路との間で熱交換するようになっている。これにより、上記凝縮熱が被加熱流体に受け渡され、被加熱流体が加温される。
【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】
従来のヒートポンプは、圧縮機で冷媒が冷却されることなく気相の状態で吐出されるので、圧縮機の吐出し体積が大きく、大きな圧縮動力を要していた。また、圧縮機と凝縮器を別々に備えているため、コストがかかる。
【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に、本発明は、冷媒を蒸発器で蒸発させた後、圧縮機で圧縮することにより、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、上記圧縮機が、上記蒸発器からの冷媒を閉じ込める圧縮室を形成するとともにこの圧縮室を移動させながら容積縮小させる圧縮機構と、上記被加熱流体を上記圧縮室の移動方向と大略同方向に通しながら上記冷媒と熱交換させる熱交換通路とを有していることを特徴とする。この特徴構成によれば、圧縮機において、冷媒を、圧縮室に閉じ込めて移動させながら圧縮すると同時に被加熱流体と熱交換させて冷却することができる。これによって、冷媒を圧縮機の内部で凝縮させることができ、液相の状態で圧縮機から吐出することができる。この結果、圧縮機の吐出し体積を小さくでき、圧縮動力を低減することができ、ＣＯＰを大きくすることができる。一方、被加熱流体については、圧縮機において発生した冷媒の凝縮熱によって加温を行なうことができる。したがって、圧縮機の後段に凝縮器を別途備える必要が無く、製品コストを低廉化することができる。
上記冷媒は、水であってもよい。
【０００６】
上記圧縮機が、圧縮室をロータ軸に沿って螺旋状に移動させるヘリカル型ないしはスクリュー型の圧縮機構を有し、上記熱交換通路が、上記ロータ軸に沿って螺旋状に延びていることが望ましい。特に、ヘリカル型は、本発明を適用しやすい構造になっており、好ましい。或いは、上記圧縮機が、圧縮室を渦巻き状に移動させるスクロール型の圧縮機構を有し、上記熱交換通路が、上記移動方向に沿うように渦巻き状に形成されていてもよい。かかるヘリカル型、若しくはスクリュー型、又はスクロール型の圧縮機によれば、冷媒と被加熱流体とが互いに熱交換しながら移動する距離を十分に長くすることができ、冷媒を確実かつ十分に冷却、凝縮できるとともに、被加熱流体を確実かつ十分に加温することができる。なお、上記圧縮機構が、上記ヘリカル型ないしはスクリュー型からなる場合には、上記熱交換通路が、上記ロータ軸に沿って螺旋状ではなくストレートに延びていてもよい。その場合、熱交換通路を圧縮機より上流側で多数分岐させ、各分岐熱交換通路をロータ軸に沿ってストレートに延ばすとともに、互いにロータ軸を取り囲むようにロータ軸の周方向に並べて配置してもよい。そして、これら分岐熱交換通路を圧縮機より下流側で合流させてもよい。
【０００７】
上記冷媒と被加熱流体が同一物質（例えば水）であり、上記蒸発器から気相冷媒だけでなく冷媒の液滴をも上記圧縮機に吸い込ませることにより、上記圧縮室が、上記熱交換通路を兼ね、上記液滴が、上記被加熱流体として提供されていてもよい。この構成によれば、圧縮機での移動中に気相冷媒と被加熱流体としての液滴冷媒とを十分に混合することができ、両者を十分に、しかも直接的に熱交換させることができ、熱交換効率を高めることができる。また、熱交換通路を別途備える必要が無くなり、一層のコスト低減を図ることができる。
【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は、本発明の第１実施形態に係る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の加温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、膨張弁２１と、蒸発器２２と、圧縮機３０とを順次環状に接続することによって構成されている。凝縮器は設けられていない。
蒸発器２２には、膨張弁２１で膨張、減圧後の冷媒が貯えられている。冷媒として、例えばフロンが用いられている。
【００１１】
圧縮機３０は、ヘリカル型の圧縮機で構成されている。詳述すると、圧縮機３０は、細長筒状のハウジング３１と、このハウジング３１に収容されたシリンダ３２及びモータ３３を備えている。シリンダ３２の一端部に、蒸発器２２からの冷媒吸込みポート３２ＩＮが設けられ、他端部に、膨張弁２１への冷媒吐出ポート３２ＯＵＴが設けられている。
【００１２】
シリンダ３２の筒内には、円柱状のロータ３４がシリンダ３２の内周面に接するように偏芯して設けられている。このロータ３４に、シリンダ３２と同軸のモータ３３が連結されている。ロータ３４の外周面には、ヘリカル溝３４ａ（一部のみ図示）が形成され、この溝３４ａにヘリカルブレード３５が出入り自在に設けられている。ヘリカル溝３４ａひいてはヘリカルブレード３５は、ロータ３４の軸線に沿って螺旋状に延びるとともに、吸込みポート３２ＩＮの配された一端側から吐出ポート３２ＯＵＴの配された他端側へ向かうにしたがってピッチが漸次小さくなっている。シリンダ３２の内周面とロータ３４の外周面との間の隙間は、ヘリカルブレード３５によって１ピッチごとに仕切られ、これにより、圧縮室３０ａが形成されている。圧縮室３０ａは、モータ３３によるロータ３４の回転によって吸込みポート３２ＩＮの側から吐出ポート３２ＯＵＴの側へ移動するとともに、移動に伴って容積が漸次減少していく。ヘリカルブレード３５の形状は、冷媒の後記凝縮時の排熱やモータ３３によるトルクの均一性などを考慮し、ある程度の自由度をもって設計することができる。
圧縮機３０のシリンダ３２、ロータ３４、ヘリカルブレード３５、モータ３３によって、「ヘリカル型の圧縮機構」が構成されている。
【００１３】
シリンダ３２の外周には、伝熱管３６（熱交換通路）が螺旋状に巻き付けられている。伝熱管３６の吸込みポート３２ＩＮ側の端部は、往路管１３を介して上記貯湯槽１０の下側部に連なり、吐出ポート３２ＯＵＴ側の端部は、復路管１４を介して貯湯槽１０の上側部に連なっている。復路管１４には、送水ポンプ１５が設けられている。（勿論、送水ポンプ１５は往路管１３に設けてもよい。）この送水ポンプ１５によって、貯湯槽１０の下側部の給湯用水が、往路管１３を経て、伝熱管３６内を吸込みポート３２ＩＮの側から吐出ポート３２ＯＵＴの側へ螺旋状に流れ、その後復路管１４を経て、貯湯槽１０の上側部へ戻されるようになっている。なお、伝熱管３６においては、給湯用水のロータ軸に沿う進み方向が上記圧縮室３０ａと同じ（吸込みポート３２ＩＮ側から吐出ポート３２ＯＵＴ側へ）になっていればよく、伝熱管３６の巻き方向（給湯用水の旋回方向）については、圧縮室３０ａの旋回方向と一致している必要はなく、逆方向に巻かれていてもよい。
【００１４】
上記のように構成されたヒートポンプシステムＳ１の動作について説明する。圧縮機３０のモータ３３を駆動すると、蒸発器２２で外気等からの採熱により蒸発した気相冷媒が、吸込みポート３２ＩＮへ導かれ、このポート３２ＩＮに連なる圧縮室３０ａに取り込まれる。圧縮室３０ａは、冷媒を閉じ込めた状態で、ロータ３４の回転に伴って吐出ポート３２ＯＵＴ側へ旋回移動するとともに、容積が漸次減少する。これによって、圧縮室３０ａ内の冷媒が圧縮されていく。同時に、送水ポンプ１５の駆動によって、貯湯槽１０の下側部の常温の給湯用水が、往路管１３を経て、伝熱管３６内を吸込みポート３２ＩＮの側から吐出ポート３２ＯＵＴの側へ旋回しながら流通していく。この給湯用水によって、高温のシリンダ３２が冷却され、ひいては圧縮室３０ａ内の冷媒が冷却される。これによって、冷媒を、圧縮と同時に凝縮させることができる。そして、液相の状態で吐出ポート３２ＯＵＴから吐出することができ、膨張弁２１へ向かわせることができる。この結果、圧縮機３０の吐出し体積を小さくでき、圧縮動力を低減することができ，ＣＯＰを上昇させることができる。
【００１５】
一方、冷媒の凝縮によって凝縮熱が発生し、この熱が、シリンダ３２及び伝熱管３６の管壁を介して、管３６内の給湯用水に受け渡される（熱の汲み上げがなされる）。この結果、給湯用水を加温でき、例えば９０℃近くの高温水にすることができる。この高温水が、復路管１４を経て貯湯槽１０の上側部に貯えられる。そして、給湯路１２を介して給湯に供することができる。
【００１６】
伝熱管３６が螺旋状になっているので、給湯用水と冷媒の熱交換が行なわれる距離を長くすることができ、冷媒を圧縮機３０内で十分に冷却、凝縮できるとともに、給湯用水を十分に加温することができる。
このシステムＳ１によれば、圧縮機３０の後段に冷媒を凝縮させるための凝縮器を別途備える必要が無い。これによって、製品コストを低廉化することができる。
【００１７】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において、既述の実施形態と同様の構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を簡略化する。
図２は、「熱交換通路」の変形例に係る第２実施形態を示したものである。この実施形態では、往路管１３から多数の伝熱管３６Ａ（熱交換通路）が分岐されている。これら伝熱管３６Ａは、シリンダ３２の軸線に沿って吸込みポート３２ＩＮの側から吐出ポート３２ＯＵＴの側へストレートに延びるとともに、互いにシリンダ３２を取り囲むように周方向に並べて配置されている。これら伝熱管３６Ａの下流端は、互いに合流して復路管１４に連なっている。
【００１８】
図３は、圧縮機の変形例に係る第３実施形態を示したものである。この実施形態では、スクリュー型の圧縮機３０Ｘが用いられている。圧縮機３０Ｘのシリンダ３２内には、雄ロータ３４Ａと雌ロータ３４Ｂとが互いに噛み合った状態で収容されている。これらロータ３４Ａ，３４Ｂが回転することにより、圧縮室３０ａが、吸込みポート３２ＩＮの側から吐出ポート３２ＯＵＴの側へ移動しながら漸次容積減少し、冷媒を圧縮する点、シリンダ３２の外周に、伝熱管３６が螺旋状に巻き付けられている点は、上記第１実施形態と同様である。勿論、螺旋状伝熱管３６に代えて、第２実施形態と同様のストレートな伝熱管３６Ａにしてもよい。圧縮機３０Ｘのシリンダ３２、ロータ３４Ａ，３４Ｂ、モータ３３によって、「スクリュー型の圧縮機構」が構成されている。
【００１９】
図４は、圧縮機の他の変形例に係る第４実施形態を示したものである。この実施形態では、スクロール型の圧縮機３０Ｙが用いられている。圧縮機３０Ｙは、固定スクロール３７と旋回スクロール３８とを有し、これらスクロール３７，３８の渦巻き羽根３７ａ，３８ａどうしが噛み合って、圧縮室３０ａが形成されている。固定スクロール３７の外周部には、吸込みポート３２ＩＮが設けられ、中心部には、吐出ポート３２ＯＵＴが設けられている。旋回スクロール３８の旋回によって、圧縮室３０ａが、外周側から中心側へ向かって渦巻き状に移動しながら漸次収縮し、内部に閉じ込められた冷媒が圧縮されていくようになっている。
圧縮機３０Ｙのシリンダ３２、スクロール３７，３８、モータ３３によって、「スクロール型の圧縮機構」が構成されている。
【００２０】
固定スクロール３７の端板３７ｂの外側面（図４において裏側）には、伝熱管３６Ｂ（熱交換通路）が設けられている。伝熱管３６Ｂは、スクロール３７，３８の渦巻き方向、ひいては圧縮室３０ａの移動方向に沿うように渦巻き状をなしている。伝熱管３６Ｂの外周側の端部に往路管１３が連なり、中心側の端部に復路管１４が連なっている。これによって、上記第１実施形態等と同様に、圧縮機３０Ｙの内部において冷媒を冷却・凝縮できるとともに、給湯用水を加温することができる。
【００２１】
図５は、第５実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムＳ５を示したものである。システムＳ５では、ヒートポンプ２０の冷媒として、被加熱流体と同一の物質すなわち水が用いられている。貯湯槽１０の下側部からの往路管１３が、ヒートポンプ２０の膨張弁２１の一次ポートに連なっている。これによって、貯湯槽１０の給湯用水の一部が、冷媒として、膨張弁２１へ送られるようになっている。しかも、この水は、後述のようにヒートポンプ２０によって加温されて貯湯槽１０に戻されるようになっており、「被加熱流体」としての役割を維持している。
【００２２】
蒸発器２２には、膨張弁２１で減圧後の水が貯えられるとともに、この水を加温して蒸気圧を高める熱源４０が熱的に接続されている。熱源４０として、例えば燃料電池や太陽熱集熱器の他、フロン等を冷媒とする別のヒートポンプを用いることができる。
蒸発器２２内の水位は、ほぼ満タンになるように調節されている。これにより、水中で発生した気泡が水面から出る時に飛び散る液滴が、蒸気と一緒に圧縮機３０に吸い込まれるようになっている。
【００２３】
システムＳ５の圧縮機３０は、第１、第２実施形態と同様のヘリカル型圧縮機が用いられているが、第３実施形態と同様のスクリュー型圧縮機３０Ｘを用いてもよく、第４実施形態と同様のスクロール型圧縮機３０Ｙを用いてもよい。
この圧縮機３０の圧縮室３０ａ内に蒸気と液滴が閉じ込められ、移動と共に圧縮される。これによって、蒸気を凝縮させ、この凝縮熱を液滴に直接的に受け渡すことができる。同時に、凝縮過程の蒸気と液滴を互いに十分に混合することができる。これによって、液滴を確実かつ効率的に加温することができる。ここで、圧縮室３０ａ内の蒸気は「気相冷媒」として機能し、液滴は、「被加熱流体」として機能している。圧縮室３０ａは、「熱交換通路」を兼ねている。したがって、システムＳ５では、圧縮機３０に伝熱管３６を設ける必要がない。
【００２４】
こうして、圧縮機３０内において蒸気が殆ど凝縮し、吐出ポート３２ＯＵＴから液相の高温水のみを吐出することができる。吐出ポート３２ＯＵＴは、復路管１４を介して貯湯槽１０の上側部に連なっている。これによって、貯湯槽１０の上側部に高温水を貯え、これを給湯に供することができる。
【００２５】
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、第１〜第４実施形態でも、冷媒として、水を用いてもよい。この場合、第５実施形態と同様に蒸発器２２に熱源４０を熱的に接続し、冷媒用水の蒸気圧を高めるのが望ましい。
本発明は、給湯に限られず、暖房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暖房用熱媒が、「被加熱流体」となる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧縮機において、冷媒を、圧縮室に閉じ込めて移動させながら圧縮すると同時に被加熱流体と熱交換させて冷却することができる。これによって、冷媒を圧縮機の内部で凝縮させることができ、液相にしたうえで圧縮機から吐出することができる。この結果、圧縮機の吐出し体積を小さくでき、圧縮動力を低減することができる。一方、被加熱流体については、圧縮機において発生した冷媒の凝縮熱によって加温を行なうことができる。したがって、圧縮機の後段に凝縮器を別途備える必要が無く、設備コストを低廉化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る圧縮機の要部の斜視図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る圧縮機の断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る圧縮機の断面図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
Ｓ１，Ｓ２　給湯用ヒートポンプシステム
２０　ヒートポンプ
２２　蒸発器
３０　ヘリカル型圧縮機
３０Ｘ　スクリュー型圧縮機
３０Ｙ　スクロール型圧縮機
３０ａ　圧縮室
３２　シリンダ
３３　モータ
３４　ロータ
３４Ａ，３４Ｂ　スクリュー
３５　ヘリカルブレード
３６　伝熱管（熱交換通路）
３６Ａ　伝熱管（熱交換通路）
３６Ｂ　伝熱管（熱交換通路）
３７　固定スクロール
３８　旋回スクロール
【図１】
2004138259.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004138259.tif 000006
【図５】
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