(57)【要約】【課題】定格運転において異なった温度で働く少なくとも２の蒸発器を備え、一方の熱源側の温度に変動がある場合にあっても、全体として、ヒートポンプの動作効率を高く維持する。【解決手段】凝縮器としての共通凝縮器４を備え、この共通凝縮器４から吐出される作動媒体の一部が循環する第一回路３ａを備えるとともに、作動媒体の他部が循環する第二回路３ｂを備え、第二回路３ｂで第二熱源からの吸熱回収を実行するとともに、第一回路３ａで第二熱源より高温で吸熱回収量が限定される第一熱源から熱回収可能に構成し、第一回路３ａを循環する作動媒体の他部の量を可変に構成する。【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、凝縮器、膨張装置、蒸発器、圧縮機を順に循環する構成で、前記蒸発器において前記作動媒体が吸熱し、前記凝縮器において前記作動媒体が熱を放出するヒートポンプであって、
前記凝縮器としての共通凝縮器を備え、
前記共通凝縮器から吐出される前記作動媒体の一部が、第一膨張装置、第一蒸発器、第一圧縮機を経て前記共通凝縮器に戻る第一回路を備えるとともに、
前記共通凝縮器から吐出される前記作動媒体の他部が、第二膨張装置、第二蒸発器、第二圧縮機を経て前記共通凝縮器に戻る第二回路を備え、
前記第二蒸発器において第二熱源からの吸熱回収を実行するとともに、前記第一蒸発器において、前記第二熱源より高温で吸熱回収量が限定される第一熱源から熱回収可能に構成され、
前記第一圧縮機に伝達される動力が可変とされ、前記第一回路を循環する前記作動媒体の一部の量を調整可能に構成されているヒートポンプ。
【請求項２】
前記第二熱源が自然熱源であるとともに、圧縮機駆動用の動力源から発生される熱が前記第一蒸発器で回収される請求項１記載のヒートポンプ。
【請求項３】
前記第一圧縮機と前記第二圧縮機とに対して共通の動力源を備え、両圧縮機へ伝達される動力を分配伝達可能に構成されている請求項１又は２記載のヒートポンプ。
【請求項４】
前記第一蒸発器で、熱を回収される給熱側熱媒体の温度に関連して、前記第一回路を循環する前記作動媒体の量を制御する制御装置を備える請求項１〜３のいずれか１項記載のヒートポンプ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載のヒートポンプに備えられる共通凝縮器において、水を加熱して湯を得る給湯装置。
【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、凝縮器、膨張装置、蒸発器、圧縮機を順に循環する構成で、前記蒸発器において作動媒体が吸熱し、前記凝縮器において作動媒体が熱を放出するヒートポンプに関し、さらに、二酸化炭素等の自然冷媒を使用することができるヒートポンプを使用した給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のヒートポンプにあっては、圧縮機による断熱圧縮過程、圧縮した作動媒体の凝縮器における凝縮過程を経て作動媒体は放熱して液相に状態変化する。膨張装置における膨張過程では、作動媒体は膨張して圧力・温度が低下する。さらに、蒸発器での蒸発過程で作動媒体は吸熱して蒸発する。
【０００３】
上記蒸発器にあっては、例えば、大気や河川水等の自然熱源から熱を吸熱回収し、凝縮器において回収した熱を放出して、湯を得る等の所定の用途に熱を利用することができる。
熱を吸熱回収する対象が、大気や河川水等の自然熱源の場合、蒸発器での作動媒体の温度は０℃程度とされ、例えば、９０℃程度の湯を得ようとすると、ヒートポンプの動作係数は３程度となる。この種の自然熱源にあっては、回収可能な熱がほぼ無限であるため、回路内における作動媒体の温度は、設計に従った安定した温度状態に維持できる。
【０００４】
一方、環境問題との関係から、作動媒体として二酸化炭素等の自然冷媒を使用することが提案されている。この種の冷媒を使用する場合は、超臨界領域でサイクルを描かせて、動作係数の高い動作を可能とする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて、圧縮式ヒートポンプは圧縮機を備えるため、この圧縮機の駆動動力源としてエンジン等が併設される。この種のエンジンの運転により回収可能な排熱が発生する。従って、上記の自然熱源とは別個に、前記エンジン等からの排熱を別異の熱源として利用することも可能となる。
【０００６】
即ち、ガスエンジンで通常の圧縮式給湯ヒートポンプをまわし、併せて、エンジンのインタクーラ冷却水（蒸発器により吸熱回収を受ける熱供給媒体）のような低レベル排熱を回収するのである。
【０００７】
この構成は具体的には、自然熱源から熱を回収するための蒸発器と、低レベル排熱を回収する蒸発器とを備え、作動媒体の循環回路として２回路設けることとなる。この場合、排熱温度が比較的高温であるため、排熱回収側の回路においては、比較的高い動作係数を得ることができる。従って、両回路を備えたヒートポンプでは、全体として見た場合、高い動作係数を得ることができる。
【０００８】
さて、この種の２回路を備えたヒートポンプでは、その設計は、定格状態を基準とする。
自然熱源より高温で、吸熱回収量が限られる前記エンジン排熱からの熱回収を目的とする回路にあっては、エンジンを起動した直後において、エンジン冷却水温度が充分に上昇していないため凍結する可能性がある。この温度が低下した状態では回路の効率は低くなるため、この状態で回路を作動させると、全体としての動作係数が低下する。
【０００９】
本発明の目的は、上述のように、定格運転において異なった温度で働く少なくとも２の蒸発器を備え、一方の熱源側の温度に変動がある場合にあっても、全体として、ヒートポンプの動作効率を高く維持することができるピートポンプを得ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明によるヒートポンプの特徴構成は、請求項１に記載されているように、
前記凝縮器としての共通凝縮器を備え、
前記共通凝縮器から吐出される前記作動媒体の一部が、第一膨張装置、第一蒸発器、第一圧縮機を経て前記共通凝縮器に戻る第一回路を備えるとともに、
前記共通凝縮器から吐出される前記作動媒体の他部が、第二膨張装置、第二蒸発器、第二圧縮機を経て前記共通凝縮器に戻る第二回路を備え、
前記第二蒸発器において第二熱源からの吸熱回収を実行するとともに、前記第一蒸発器において、前記第二熱源より高温で吸熱回収量が限定される第一熱源から熱回収可能に構成され、
前記第一圧縮機に伝達される動力が可変とされ、前記第一回路を循環する前記作動媒体の一部の量を調整可能に構成されていることにある。
【００１１】
この構成にあっては、第一回路、第二回路を備えることによって、ヒートポンプを全体として見た場合に、高い動作係数のヒートポンプを得ることができる。
さらに、第一回路にあっては、第一熱源側の温度が上昇しきっていない場合にあっては、この回路に供給される動力を低くする等によって、凍結等の問題を回避することができる。
【００１２】
上記の構成において、請求項２に記載されているように、前記第二熱源が自然熱源であるとともに、圧縮機駆動用の動力源から発生され熱が、前記第一蒸発器で回収されることが、好ましい。
【００１３】
この構成にあっては、回収できる熱を自然熱源側である程度確保するとともに、ヒートポンプに備えられる圧縮機駆動用の動力源からの排熱を回収することが可能となる。この場合、動力源が実質的な第一熱源となる。
さらに、この圧縮機駆動用の動力源の初期立ち上げ時にあっても、回路の凍結、動作係数の低下等の問題を回避できる。
【００１４】
また、上記の構成において、請求項３に記載されているように、前記第一圧縮機と前記第二圧縮機とに対して共通の動力源を備え、両圧縮機へ伝達される動力を分配伝達可能に構成されていることが好ましい。
【００１５】
この構成にあっては、単一の動力源をヒートポンプに備え、このヒートポンプに始動時には第二回路側を主に、定格運転時では、定格運転状態において規定される状態で第一、第二回路をフルに利用して、動作係数を高く維持した運転を実行できる。
また、両運転状態の遷移時に、単一の動力源からの両圧縮機への動力伝達を分配しながら、始動と定格運転との間の調整を実施できる。
【００１６】
請求項４に記載されるように、前記第一蒸発器で、熱を回収される給熱側熱媒体の温度に関連して、前記第一回路を循環する前記作動媒体の量を制御する制御装置を備えることが好ましい。
【００１７】
第一回路を良好な運転状態に保てるかどうかは、基本的に第一蒸発器の動作状態、即ち、この蒸発器に供給される給熱側熱媒体の温度に依存するため、この温度を検出し、第一回路へ廻す動力を制御装置で制御することで、結果的にヒートポンプの良好な動作を確保できる。
【００１８】
さらに、これまで記載してきたヒートポンプに備えられる共通凝縮器において、水を加熱して湯を得る給湯装置とすることが好ましい。
動作係数の比較的高いヒートポンプを利用して、湯を得ることができ、ヒートポンプの立ち上がり時も、動作係数を比較的高く保てる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態を図面に基づいて説明する。
圧縮式ヒートポンプ１の構造を図１に、そのサイクルを図２に示した。
【００２０】
熱回収の対象は、圧縮式ヒートポンプ１に備えられるエンジン冷却水と大気とされ、加熱対象は給湯装置２における水であり、給湯水の生成に使用される。
作動媒体は、自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ２）である。
【００２１】
図１に示すように、作動媒体が循環する第一回路３ａと第二回路３ｂとを備えて構成されており、両回路３ａ，３ｂにおいて、凝縮器４が共通（共通凝縮器と呼ぶ）とされている。それぞれの回路には、膨張装置５、蒸発器６、圧縮機７が、それぞれ備えられている。
【００２２】
同図に示すように、共通凝縮器４の作動媒体の移流方向での下手は、二路に分岐されており、この凝縮器４から吐出される液相状態にある作動媒体の一部を液相のまま圧力低下させる高圧膨張弁５ａと、作動媒体の他部を媒体路８を介して受け入れ気相状態にまで膨張させる低圧膨張弁５ｂとが備えられている。
【００２３】
前記高圧膨張弁５ａの下手側には、超臨界領域で液相から気相に状態変化する第一蒸発器６ａが備えられている。この蒸発器６ａにあっては、エンジン冷却水排熱が熱源（第一熱源）とされる。従って、この第一蒸発器６ａの給熱側流路には、エンジン冷却水が循環されるように、冷却水循環流路６０が接続されている。
第一蒸発器６ａを出た作動媒体を圧縮する第一圧縮機７ａが備えられており、第一圧縮機７ａで圧縮された作動媒体が、共通凝縮器４に送られる。
【００２４】
一方、前記低圧膨張弁５ｂにより膨張された作動媒体に吸熱させる前記第二蒸発器６ｂが備えられている。この蒸発器６ｂにあっては、大気が熱源（第二熱源）とされる。
この第二蒸発器６ｂを出た作動媒体を圧縮する第二圧縮機７ｂとを備え、この第二圧縮機７ｂで圧縮された作動媒体を共通凝縮器４の流入側に導く連結路７０が備えられている。
【００２５】
さらに同図に示すように、前記第一圧縮機７ａと第二圧縮機７ｂは、共に、エンジン９から動力を受けるように構成されており、これら圧縮機７ａ，７ｂに対する動力伝達に独特の構造が採用されている。
エンジン出力は、前記第二圧縮機７ｂへ供給され、これを回すように構成されるとともに、その下手側に切替クラッチ１０を備え、このクラッチ１０の入り切りに従って、第一圧縮機７ａをも所定の条件で回すことができるように構成されている。
また、前記クラッチ１０の下手で、前記第一圧縮機７ａの入力側との間には、無段変速機構１１を備え、この機構の設定により、圧縮機７へ供給される動力が調節できるように構成されている。
【００２６】
本願が採用するヒートポンプのサイクルは、図２に示すように、二つのサイクルが複合したものとなる。同図に、図１における所定部位における動作媒体の状態を丸付数字で示した。
この実施の形態において、エンジン排熱側の熱回収回路である第一回路は、圧縮機入口温度７０℃付近、圧力８ＭＰａ、圧縮機出口温度９５℃付近、圧力１０ＭＰａ程度に維持されており、膨張装置の出口で温度３０℃付近、圧力８ＭＰａに選択されている。
従って、この回路にあっては、動作係数ＣＯＰ１１．３程度となる。
【００２７】
一方、大気側からの熱回収回路である第二回路は、圧縮機入口温度０℃付近、圧力３ＭＰａ、圧縮機出口温度９５℃付近、圧力１０ＭＰａ、程度に維持されており、膨張装置の出口で温度０℃付近、圧力３ＭＰａに選択されている。
従って、この回路にあっては、動作係数ＣＯＰ３程度の動作が行なわれることとなる。
【００２８】
エンジン軸出力１ＫＷ、エンジンの軸端効率２５％、エンジンの排熱回収率５０％、第一回路で、この排熱を全て回収できるとすると、本願の圧縮式ヒートポンプの動作係数ＣＯＰは、以下のようになる。
【００２９】
燃料４ＫＷを消費するものとして、エンジンの軸出力は１ＫＷ、その排熱は３ＫＷとなる。この排熱の５０％を冷却水により回収可能とすると、１．５ＫＷの排熱が回収可能となる。さて、第一回路の動作係数ＣＯＰは、前述のように１１．３であるため、第一圧縮機で必要となるエンジン出力は、１．５／１１．３＝０．１３３ＫＷとなる。従って、第二回路で使用されるエンジン軸出力は、１−０．１３３＝０．８６７ＫＷとなる。第二回路に関しては、動作係数ＣＯＰ３だから、汲み上げ熱量は、０．８６７×３＝２．６ＫＷとなる。
【００３０】
結果、本願の圧縮式ヒートポンプで全体として汲み上げる熱は、１．５＋２．６＝４．１ＫＷとでき、全体の動作係数ＣＯＰは、４．１となる。
よって、第二回路のみを備えたものに対して、動作係数で１．１の増加であり、この構成を採用することで、定常運転時に、高い効率で、給湯に必要な熱を十分回収して、利用することができる。
【００３１】
さて、図１に示すように、圧縮機は単一のエンジン９を駆動源として備え、エンジン出力軸に、第二圧縮機７ｂ、クラッチ１０、無段変速機構１１、第一圧縮機７ａが連接されて構成されているが、この系における動力分配及び圧縮式ヒートポンプ１の動作制御用の制御装置１２が備えられている。この制御装置１２には冷却水温度検出器１２０からの検出結果が入力されるように構成されており、この入力情報に従って、前記クラッチ１０と、前記無段変速機構１１への動作制御を実行できるように構成されている。又、制御装置１２は、第一回路３ａに備えられる流量制御弁１２１により、この回路を流れる動作媒体の流量を調整できる。
【００３２】
圧縮式ヒートポンプ始動時の制御は以下の工程を経るものとされる。
１    ピートポンプに始動指令が入る前の状態において、前記クラッチ１０は切られた状態にあり、さらに、無段変速機構１１も第一圧縮機７ａへの動力伝達が最小となる状態に設定される。
【００３３】
２    ヒートポンプ１の初期立ち上げにあっては、エンジン始動が掛かるとともに、エンジン９に連携されている第二縮機７ｂのみに動力が伝達される。従って、ヒートポンプ１にあっては、第二回路３ｂ内を作動媒体が循環することとなり、自然熱源からの熱回収のみが行なわれる。この状態で、エンジン冷却水温度は制御装置１２側でモニターされている。
【００３４】
３    前記第一蒸発器７ａの給熱側流体流路を流れるエンジン冷却水温度が所定温度に到達した時点で、前記クラッチ１０が連結され、第一圧縮機７ａ、第二圧縮機７ｂが共に働き始める。従って、ヒートポンプ１内の作動媒体は、上述の第一回路３ａ、第二回路３ｂ共に分かれて循環する。ここで、第一圧縮機７ａの動作開始は、この回路３ａを作動媒体が流れたとしても、回路３ａ内で凍結等の問題が発生しない温度に冷却水温度が到達した時点を基準とする。
【００３５】
４    このようにして第一回路３ａをも立ち上げた後、さらに、定格値まで、第一圧縮機７ａに供給される動力を上昇させる。この時、エンジン出力と、無段変速機構１１が適切に、動作設定される。上述ように、各回路３ａ，３ｂを適切に維持するのに適合するエンジン出力が、両圧縮機７ａ，７ｂに分配して供給される。
結果、初期の立ち上がり時、後の定格運転時に高い動作係数を維持することができる。
【００３６】
〔別実施の形態〕
（１）  上記の実施の形態にあっては、作動媒体として、二酸化炭素の例を示したが、本願構成にあっては作動媒体として、エタン、キセノン、亜酸化窒素等も採用できる。
（２）  上記の実施の形態にあっては、回路数を２としたが、さらに多いものであっても良い。
（３）  上記の実施の形態にあっては、第一回路、第二回路に、それぞれ独立の圧縮機を設け、これらの圧縮機を連携調節するものとしたが、図３に示すように、圧縮機を複数備えるに、順次、圧力を上昇させるものとしてもよい。この場合、第一回路が高圧側となるため、冷却水の温度上昇に従って、この回路を流れる動作媒体の量の調整と各圧縮機に供給する動力を流量調整弁１２１等を設けて、制御装置により適切に調節する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の圧縮式ヒートポンプの構成を示す図
【図２】実施の形態の圧縮式ヒートポンプのサイクルを示す図
【図３】別実施の形態の圧縮式ヒートポンプの構成を示す図
【符号の説明】
１        ヒートポンプ
２        給湯装置
３        回路
３ａ      第一回路
３ｂ      第二回路
４        共通凝縮器
５        膨張装置
５ａ      第一膨張弁
５ｂ      第二膨張弁
６        蒸発器
７        圧縮機
７ａ      第一圧縮機
７ｂ      第二圧縮機
９        エンジン
１１      無段変速機構
１２      制御装置
【図１】
2004176965.tif 000003
【図２】
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【図３】
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