(57)【要約】【課題】所望の吸熱能力を長期に渡って安定的に得る。【解決手段】エジェクタ３０と気液分離器５０との間に蒸発器４０を配置する。これにより、蒸発器４０には、圧縮機１０から吐出された冷媒が循環するので、エジェクタ３０の固体差（製造バラツキ）や経年変化によりエジェクタ３０のポンプ能力が大きく変化しても、圧縮機１０から吐出された冷媒量は確実に確保することができる。したがって、蒸発器４０を循環する冷媒量が大きく変動してしまうことを抑制できるので、所望の吸熱能力を長期に渡って安定的に得ることができ得る。また、蒸発器４０内の冷媒流速が増大するので、冷媒と蒸発器４０との熱伝達率が増大する。したがって、蒸発器４０を大型にすることなく、蒸発器４０の熱交換能力、つまり吸熱能力を向上させることができるので、ヒートポンプサイクルの運転効率を向上させることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温側の熱を高温側に移動させ、高圧側で発生する温熱を利用するヒートポンプサイクルであって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
前記圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する放熱器（２０）と、
前記放熱器（２０）から流出した高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（３１）を有し、前記ノズル（３１）から噴射する高い速度の冷媒流の巻き込み作用によって冷媒輸送を行う運動量輸送式のエジェクタポンプ（３０）と、
前記エジェクタポンプ（３０）から吐出された冷媒を蒸発させる蒸発器（４０）と、
前記蒸発器（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒用出口が前記圧縮機（１０）の吸引側に接続された気液分離器（５０）と、
前記気液分離器（５０）と前記蒸発器（４０）の冷媒流入口側とを繋ぐ冷媒通路手段（６０）とを備え、
前記エジェクタポンプ（３０）にて前記冷媒通路手段（６０）に冷媒を流すことを特徴とするヒートポンプサイクル。
【請求項２】
前記冷媒通路手段（６０）には、雰囲気と熱交換させて冷媒を加熱する加熱手段（７０）が設けら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サイクル。
【請求項３】
前記冷媒通路手段（６０）は、前記気液分離器（５０）のうち主に液相冷媒を流出させる流出口に接続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サイクル。
【請求項４】
前記冷媒通路手段（６０）は、前記気液分離器（５０）のうち主に気相冷媒を流出させる流出口に接続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サイクル。
【請求項５】
前記エジェクタポンプ（３０）は、前記ノズル（３１）の絞り開度を変化させることができる可変型であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のヒートポンプサイクル。
【請求項６】
前記圧縮機（１０）の吐出圧は、冷媒の臨界圧力以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のヒートポンプサイクル。
【請求項７】
冷媒として、二酸化炭素が用いられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のヒートポンプサイクル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温側の熱を高温側に移動させ、高圧側で発生する温熱を利用するヒートポンプサイクルのうちエジェクタを用いたエジェクタサイクルに関するもので、暖房装置や給湯装置に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な、エジェクタサイクルとは、エジェクタにて冷媒を減圧膨張させて蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させるヒートポンプサイクルである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１４９６５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した一般的なエジェクタサイクルでは、エジェクタのポンプ作用（ＪＩＳ  Ｚ  ８１２６  番号２．１．２．３等参照）により蒸発器に冷媒を循環させ、かつ、エジェクタの固体差（製造バラツキ）や経年変化によりエジェクタのポンプ能力が大きく変化するので、蒸発器を循環する冷媒量が大きく変動し易く、所望の吸熱能力を長期に渡って安定的に得ることが難しい。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規なヒートポンプサイクルを提供し、第２には、所望の吸熱能力を長期に渡って安定的に得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させ、高圧側で発生する温熱を利用するヒートポンプサイクルであって、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する放熱器（２０）と、放熱器（２０）から流出した高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（３１）を有し、ノズル（３１）から噴射する高い速度の冷媒流の巻き込み作用によって冷媒輸送を行う運動量輸送式のエジェクタポンプ（３０）と、エジェクタポンプ（３０）から吐出された冷媒を蒸発させる蒸発器（４０）と、蒸発器（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒用出口が圧縮機（１０）の吸引側に接続された気液分離器（５０）と、気液分離器（５０）と蒸発器（４０）の冷媒流入口側とを繋ぐ冷媒通路手段（６０）とを備え、エジェクタポンプ（３０）にて冷媒通路手段（６０）に冷媒を流すことを特徴とする。
【０００７】
これにより、圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒は、放熱器（２０）にて冷却されてエジェクタポンプ（３０）のノズル（３１）にて減圧膨張して加速される。
【０００８】
そして、加速された高速冷媒の巻き込み作用に伴うポンプ作用により、気液分離器（５０）内の冷媒が吸引されるため、冷媒通路手段（６０）を経由して吸引された冷媒とノズル（３１）から吹き出す冷媒とが混合されて蒸発器（４０）に供給される。
【０００９】
このとき、エジェクタポンプ（３０）から流出する冷媒は、気液二相状態の湿り冷媒であるので、蒸発器（４０）では液相冷媒が気化し、気液分離器（５０）内の圧力、つまり圧縮機（１０）の吸入圧は、特許文献１に記載のエジェクタサイクルに比べて高い圧力にて安定する。
【００１０】
したがって、圧縮機（１０）から吐出する冷媒の温度を低下させることなく、圧縮機（１０）の圧縮仕事量を小さくすることができるので、ヒートポンプサイクルの運転効率を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明では、圧縮機（１０）から吐出された冷媒（主流）に加えて、エジェクタポンプ（３０）にて吸引された冷媒（副流）が蒸発器（４０）に流れ込むのに対して、特許文献１に記載の発明では、エジェクタで吸引された冷媒のみが蒸発器内を循環する。
【００１２】
このため、本発明では、蒸発器（４０）内を流れる冷媒流量、つまり蒸発器（４０）内の冷媒流速が特許文献１に記載の発明より増大するので、冷媒と蒸発器（４０）との熱伝達率が増大する。したがって、蒸発器（４０）を大型にすることなく、蒸発器（４０）の熱交換能力、つまり吸熱能力を向上させることができるので、ヒートポンプサイクルの運転効率を向上させることができる。
【００１３】
また、蒸発器（４０）には、圧縮機（１０）から吐出された冷媒が循環するので、エジェクタポンプ（３０）の固体差（製造バラツキ）や経年変化によりエジェクタポンプ（３０）のポンプ能力が大きく変化しても、圧縮機（１０）から吐出された冷媒量は確実に確保することができる。
【００１４】
したがって、蒸発器（４０）を循環する冷媒量が大きく変動してしまうことを抑制できるので、所望の吸熱能力を長期に渡って安定的に得ることができ得る。
【００１５】
請求項２に記載の発明では、冷媒通路手段（６０）には、雰囲気と熱交換させて冷媒を加熱する加熱手段（７０）が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
これにより、体積流量、つまり流速が大きくなる気相冷媒がエジェクタポンプ（３０）に吸引されるので、蒸発器（４０）内の冷媒流速をより確実に高めることができる。
【００１７】
延いては、蒸発器（４０）を大型にすることなく、蒸発器（４０）の熱交換能力、つまり吸熱能力を確実に向上させることができるので、ヒートポンプサイクルの運転効率を向上させることができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明では、冷媒通路手段（６０）は、気液分離器（５０）のうち主に液相冷媒を流出させる流出口に接続されていることを特徴とするものでる。
【００１９】
請求項４に記載の発明では、冷媒通路手段（６０）は、気液分離器（５０）のうち主に気相冷媒を流出させる流出口に接続されていることを特徴とする。
【００２０】
これにより、蒸発器（４０）内の冷媒流速をより確実に高めることができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明では、エジェクタポンプ（３０）は、ノズル（３１）の絞り開度を変化させることができる可変型であることを特徴とする。
【００２２】
これにより、蒸発器（４０）にて冷媒を蒸発させる場合に比べてノズル（３１）の絞り開度を大きくして高温の冷媒を蒸発器（４０）に供給すれば、容易に蒸発器（４０）の除霜を行うことができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明では、圧縮機（１０）の吐出圧は、冷媒の臨界圧力以上であることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項７に記載の発明では、冷媒として、二酸化炭素が用いられていることを特徴とするものである。
【００２５】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るヒートポンプサイクルを給湯器に適用したものであって、図１は給湯器（ヒートポンプサイクル）の模式図である。
【００２７】
圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮するものであり、水冷媒熱交換器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と給湯水とを対向流れ状態で熱交換して給湯水を加熱することにより冷媒を冷却する放熱器である。
【００２８】
なお、圧縮機１０は電動モータ（図示せず。）により駆動されており、本実施形態では、吐出冷媒温度又は吐出冷媒圧力が所定値となるように圧縮機１０の回転数、つまり圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を制御している。
【００２９】
因みに、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、冷媒としてフロン（Ｒ４０４ａやＲ４１０ａ）を用いてもよいことは言うまでもない。
【００３０】
なお、冷媒としてフロンを用いた場合には、水冷媒熱交換器２０にて冷媒が凝縮することによりエンタルピを低下させるが、冷媒として、二酸化炭素を用いた場合には、高圧側冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、かつ、水冷媒熱交換器２０内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下することによりエンタルピが低下する。
【００３１】
エジェクタ３０は、水冷媒熱交換器２０から流出した高圧冷媒を減圧するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換してポンプ作用を発生させるエジェクタ方式のポンプである。
【００３２】
具体的には、図２に示すように、水冷媒熱交換器２０から流出した高圧冷媒を減圧膨張させるノズル３１、ノズル３１から噴射する高い速度の冷媒流の巻き込み作用により冷媒を吸引しながら、ノズル３１から噴射する冷媒流とを混合する混合部３２、及びノズル３１から噴射する冷媒と吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ３３等からなるものである。
【００３３】
因みに、本実施形態では、ノズル３１から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば先細ノズルを用いてもよい。
【００３４】
なお、混合部３２においては、ノズル３１から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器４０からエジェクタ３０に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部３２においても冷媒の静圧が上昇する。
【００３５】
一方、ディフューザ３３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ３０においては、混合部３２及びディフューザ３３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部３２とディフューザ３３とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００３６】
また、図１中、蒸発器４０は、エジェクタ３０から吐出された冷媒と室外空気とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより室外空気から熱を回収する低圧側熱交換器であり、気液分離器５０は蒸発器４０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段である。なお、気液分離器５０の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続されている。
【００３７】
冷媒注入回路６０は、気液分離器５０と蒸発器４０の冷媒流入口側とを繋ぐ冷媒通路手段をなす副冷媒回路であり、気液分離器５０内の冷媒の一部は、エジェクタ３０のポンプ作用により冷媒注入回路６０を経由して蒸発器４０に供給される。
【００３８】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００３９】
圧縮機１０から吐出した高圧冷媒は、水冷媒熱交換器２０にて冷却されてエジェクタ３０のノズル３１にて等エントロピ的に減圧膨張して、音速以上の速度で混合部３２内に流入する。
【００４０】
そして、混合部３２に流入した高速冷媒の巻き込み作用に伴うポンプ作用により、気液分離器５０内の冷媒が混合部３２内に吸引されるため、冷媒注入回路６０を経由して吸引された冷媒とノズル３１から吹き出す冷媒とは、混合部３２にて混合しながらディフューザ３３にてその動圧が静圧に変換されて蒸発器４０に供給される。
【００４１】
このとき、エジェクタ３０から流出する冷媒は、気液二相状態の湿り冷媒であるので、蒸発器４０では液相冷媒が外気から吸熱して気化し、気液分離器５０内の圧力、つまり圧縮機１０の吸入圧は、特許文献１に記載のエジェクタサイクルに比べて高い圧力にて安定する。
【００４２】
したがって、圧縮機１０から吐出する冷媒の温度、つまり給水温度を低下させることなく、圧縮機１０の圧縮仕事量を小さくすることができるので、ヒートポンプサイクル（給湯器）の運転効率を向上させることができる。
【００４３】
また、本実施形態では、圧縮機１０から吐出された冷媒（主流）に加えて、エジェクタ３０にて吸引された冷媒（副流）が蒸発器４０に流れ込むのに対して、特許文献１に記載の発明では、エジェクタで吸引された冷媒のみが蒸発器内を循環する。
【００４４】
このため、本実施形態では、蒸発器４０内を流れる冷媒流量、つまり蒸発器４０内の冷媒流速が特許文献１に記載の発明より増大するので、冷媒と蒸発器４０との熱伝達率が増大する。したがって、蒸発器４０を大型にすることなく、蒸発器４０の熱交換能力、つまり吸熱能力を向上させることができるので、ヒートポンプサイクル（給湯器）の運転効率を向上させることができる。
【００４５】
また、蒸発器４０には、圧縮機１０から吐出された冷媒が循環するので、エジェクタ３０の固体差（製造バラツキ）や経年変化によりエジェクタ３０のポンプ能力が大きく変化しても、圧縮機１０から吐出された冷媒量は確実に確保することができる。したがって、蒸発器４０を循環する冷媒量が大きく変動してしまうことを抑制できるので、所望の吸熱能力を長期に渡って安定的に得ることができ得る。
【００４６】
ところで、本実施形態では、冷媒注入回路６０が気液分離器５０の下方側に設けられた主に液相冷媒を流出させる流出口に接続されているので、副流として液相冷媒が供給されるが、蒸発器４０内の冷媒流速をより一層高めるには、冷媒注入回路６０を気液分離器５０の上方側に設けられた主に気相冷媒を流出させる流出口に接続することが望ましい。
【００４７】
なお、冷媒注入回路６０に気液二相状態の冷媒が供給されてもよいことは言うまでもない。
【００４８】
（第２実施形態）
本実施形態は、図３に示すように、雰囲気と熱交換させて冷媒を加熱する加熱手段をなす第２の蒸発器７０を冷媒注入回路６０に設けたものである。
【００４９】
これにより、体積流量、つまり流速が大きくなる気相冷媒がエジェクタ３０に吸引されるので、蒸発器４０内の冷媒流速をより確実に高めることができる。延いては、蒸発器４０を大型にすることなく、蒸発器４０の熱交換能力、つまり吸熱能力を確実に向上させることができるので、ヒートポンプサイクル（給湯器）の運転効率を向上させることができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、冷媒注入回路６０に第２の蒸発器７０、つまり専用の熱交換器を設けたが、冷媒注入回路６０にフィンを設ける又は冷媒注入回路６０を蛇行させる等して、冷媒注入回路６０そのものを雰囲気と熱交換させて冷媒を加熱する加熱手段として機能させてもよい。
【００５１】
（第３実施形態）
本実施形態は、エジェクタ３０として、ノズル３１の絞り開度を変化させることができる可変型エジェクタを採用したものである。
【００５２】
なお、ノズル３１の絞り開度は、蒸発器４０の出口側の冷媒過熱度が所定値となるように制御する、又は水冷媒熱交換器２０の出口側冷媒温度、つまり高圧冷媒の温度に基づいて決定される目標高圧側圧力となるように制御する等してもよい。
【００５３】
因みに、目標高圧側圧力とは、高圧冷媒の温度をパラメータとしてヒートポンプサイクルの成績係数が所定値以上となる高圧側圧力である。
【００５４】
また、蒸発器４０の表面に発生した霜を除去する除霜運転時には、水冷媒熱交換器２０への給湯水の供給を停止して水冷媒熱交換器２０での放熱を停止させ、かつ、蒸発器４０にて冷媒を蒸発させる場合に比べてノズル３１の絞り開度を大きくして高温の冷媒を蒸発器４０に供給することにより、蒸発器４０を内部から加熱する。
【００５５】
これにより、除霜運転専用のバイパス冷媒回路や電磁弁等を設けることなく、容易に除霜運転を行うことができるので、ヒートポンプサイクルの製造原価上昇を抑制しながら、除霜運転を行うことができるヒートポンプサイクルを得ることができる。
【００５６】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では給湯装置に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば暖房装置にも適用することができる。
【００５７】
また、圧縮機１０の吸入される冷媒とエジェクタ３０にて減圧される冷媒とを熱交換する内部熱交換器、又は圧縮機１０の吸入される冷媒と雰囲気とを熱交換する外部熱交換器等を設けてもよい。
【００５８】
また、上述の実施形態では圧縮機１０を電動モータにて駆動したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば内燃機関により駆動してもよい。
【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器の模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る給湯器の模式図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機、２０…水冷媒熱交換器、３０…エジェクタ、
４０…蒸発器、５０…気液分離器、６０…冷媒注入回路（副回路）。
【図１】
2004239493.tif 000003
【図２】
2004239493.tif 000004
【図３】
2004239493.tif 000005