(57)【要約】【課題】ボルテックスチューブの機能を有効に利用し、ヒートポンプの高効率化や被加熱流体の高温化が図られるヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】ヒートポンプ装置は、圧縮機１を第一放熱器２の入口側に接続し、ボルテックスチューブ３の冷媒供給口３ｃを第一放熱器２の出口側に接続し、ボルテックスチューブ３の高温側出口３ａを第二放熱器４から第二絞り装置７を介して蒸発器６の入口側に接続し、ボルテックスチューブ３の低温側出口３ｂを第一絞り装置５を介して蒸発器６の入口側に接続して構成され、ボルテックスチューブ３内の冷媒を超臨界状態で作動するように両絞り装置を制御するとともに、第一放熱器２に加えて第二放熱器４で水回路９を流れる被加熱流体（例えば、水）を加熱して、より高温の湯を得るものである。【選択図】        図１
2005164104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも圧縮機、第一の放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を接続して冷媒循環回路を構成したヒートポンプ装置であって、第二の放熱器を設け、前記圧縮機を前記第一の放熱器に接続し、前記第一の放熱器を前記ボルテックスチューブの冷媒供給口に接続し、前記ボルテックスチューブの高温側出口を前記第二の放熱器に接続し、前記第二の放熱器を前記蒸発器に接続し、前記ボルテックスチューブの低温側出口を前記蒸発器に接続し、前記蒸発器を前記圧縮機に接続して前記冷媒循環回路を構成したことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記低温側出口と前記蒸発器との間に、第一の絞り装置を設けたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記第二の放熱器と前記蒸発器との間に、第二の絞り装置を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記低温側出口と前記蒸発器との間に、第三の放熱器を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
少なくとも圧縮機、ボルテックスチューブ、第一の放熱器、第二の放熱器および蒸発器を接続して冷媒循環回路を構成したヒートポンプ装置であって、
前記圧縮機を前記ボルテックスチューブの冷媒供給口に接続し、前記ボルテックスチューブの高温側出口を前記第一の放熱器に接続し、前記第一の放熱器を前記第二の放熱器に接続し、前記ボルテックスチューブの低温側出口を前記第二の放熱器に接続し、前記第二の放熱器を前記蒸発器に接続し、前記蒸発器を前記圧縮機に接続して前記冷媒循環回路を構成したことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記第二の放熱器と前記蒸発器との間に、絞り装置を設けたことを特徴とする請求項５記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記冷媒供給口に流入する冷媒を超臨界状態とする構成にしたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記冷媒供給口、前記高温側出口及び前記低温側出口を流れる冷媒を超臨界状態とする構成にしたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記冷媒供給口、前記高温側出口及び前記低温側出口を流れる冷媒が超臨界状態で作動するように前記絞り装置を制御する絞り装置制御手段を設けたことを特徴とする請求項２から請求項４、あるいは請求項６のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１０】
前記放熱器において前記冷媒と熱交換する媒体として水を用いたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１１】
前記冷媒循環回路を循環する冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルテックスチューブを用いたヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のヒートポンプ装置としては、例えば、特許文献１に示されているような冷凍装置がある。図４は、従来のヒートポンプ装置の回路構成図である。
図４において、圧縮機４１、凝縮器４２、ボルテックスチューブ４３および蒸発器４４を順次接続して冷媒循環回路Ａを構成するとともに、ボルテックスチューブ４３の冷媒供給口４３ａを凝縮器４２の出口側冷媒配管４５に、またボルテックスチューブ４３の高温側出口４３ｂを圧縮機４１の中間圧部４１ａに、さらにボルテックスチューブ４３の低温側出口４３ｃを蒸発器４４の入口側冷媒配管４７にそれぞれ接続している。また、ボルテックスチューブ４３の高温側出口４３ｂの冷媒配管４９の途中に逆止弁４８が設けられている。
図４に示す従来のヒートポンプ装置において、圧縮機４１から吐出されたガス冷媒は、凝縮器４２において熱交換されて高温液冷媒とされ、ボルテックスチューブ４３の冷媒供給口４３ａに供給される。そして、該ボルテックスチューブ４３に供給された高温液冷媒は、ボルテックスチューブ４３内において高温冷媒と低温冷媒とに分離される。そして、高温冷媒は上記圧縮機４１の中間圧部４１ａに再供給される一方、低温冷媒は蒸発器４４へ供給される。
また、上記ボルテックスチューブ４３においては等エントロピー膨張に近い冷媒膨張が得られ、従って、蒸発器４４における蒸発能力が増大するとともに凝縮器４２における放熱量が増大することとなり、圧縮機の仕事量を増大させることなく冷凍能力を大幅に向上させることができるヒートポンプ装置が開示されている。
【特許文献１】特開平８−３１３０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記構成のヒートポンプ装置では、ボルテックスチューブには凝縮器で凝縮された高温の液冷媒が供給される。
本来、ボルテックスチューブは圧縮性のある気体を冷媒供給口から導入し、ボルテックスチューブの管内壁接線方向に加圧冷媒を噴射すると、同冷媒が渦流をなして、管内を旋回することにより断熱圧縮され、高エネルギーの熱い冷媒分子は管内周辺に集まり、断熱膨張した低エネルギーの冷たい冷媒分子は管内中央部に集まって２層に分かれて相互に逆方向に流れるので、冷媒を冷熱２つの成分に分離することができるものであり、上記従来例のように、冷媒供給口から液冷媒が導入された場合には、液冷媒が非圧縮性であるため、ボルテックスチューブ内で断熱圧縮、膨張が行われず、本来の役目をなさないという不具合点が出ていた。
そして、上記従来のヒートポンプ装置をヒートポンプ給湯機に適用した場合は、被加熱流体の水の温度が高くならないという課題もあった。
【０００４】
したがって本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、ボルテックスチューブの機能を有効に利用し、ヒートポンプの高効率化や被加熱流体の高温化に寄与できるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明のヒートポンプ装置は、少なくとも圧縮機、第一の放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を接続して冷媒循環回路を構成したヒートポンプ装置であって、第二の放熱器を設け、前記圧縮機を前記第一の放熱器に接続し、前記第一の放熱器を前記ボルテックスチューブの冷媒供給口に接続し、前記ボルテックスチューブの高温側出口を前記第二の放熱器に接続し、前記第二の放熱器を前記蒸発器に接続し、前記ボルテックスチューブの低温側出口を前記蒸発器に接続し、前記蒸発器を前記圧縮機に接続して前記冷媒循環回路を構成したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ装置において、前記低温側出口と前記蒸発器との間に、第一の絞り装置を設けたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ装置において、前記第二の放熱器と前記蒸発器との間に、第二の絞り装置を設けたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記低温側出口と前記蒸発器との間に、第三の放熱器を設けたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明のヒートポンプ装置は、少なくとも圧縮機、ボルテックスチューブ、第一の放熱器、第二の放熱器および蒸発器を接続して冷媒循環回路を構成したヒートポンプ装置であって、前記圧縮機を前記ボルテックスチューブの冷媒供給口に接続し、前記ボルテックスチューブの高温側出口を前記第一の放熱器に接続し、前記第一の放熱器を前記第二の放熱器に接続し、前記ボルテックスチューブの低温側出口を前記第二の放熱器に接続し、前記第二の放熱器を前記蒸発器に接続し、前記蒸発器を前記圧縮機に接続して前記冷媒循環回路を構成したことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載のヒートポンプ装置において、前記第二の放熱器と前記蒸発器との間に、絞り装置を設けたことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記冷媒供給口に流入する冷媒を超臨界状態とする構成にしたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記冷媒供給口、前記高温側出口及び前記低温側出口を流れる冷媒を超臨界状態とする構成にしたことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項２から請求項４、あるいは請求項６のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記冷媒供給口、前記高温側出口及び前記低温側出口を流れる冷媒が超臨界状態で作動するように前記絞り装置を制御する絞り装置制御手段を設けたことを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項１から請求項９のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記放熱器において前記冷媒と熱交換する媒体として水を用いたことを特徴とする。
請求項１１記載の本発明は、請求項１から請求項１０のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記冷媒循環回路を循環する冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
以上述べてきたように、本発明によれば、ボルテックスチューブで低エンタルピーとなった冷媒を蒸発器に流入させるので、蒸発器における外気との熱交換を容易にし、ヒートポンプの高効率化を可能とする効果がある。
また、ボルテックスチューブによって再び高温にした冷媒を第二の放熱器に流入させることにより、第二の放熱器における熱交換効率を向上させるとともに、第一の放熱器に加えて第二の放熱器で加熱し、ヒートポンプ給湯機の給湯温度を一段と上昇させることができる。
また、絞り装置によりボルテックスチューブにおける適正冷媒流量を制御できるので、種々の運転条件においても常に高効率な運転が可能となる。
また、ボルテックスチューブを常に超臨界で動作させるので、圧縮性のある超臨界冷媒によってボルテックスチューブを有効に作用させることができる。
また、冷媒として炭酸ガスを用いることにより、被加熱流体の高温化を高効率で実現すると共に、ボルテックスチューブ内の冷媒状態を容易に超臨界の状態とすることができ、かつ、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は少なくなるなどの効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態によるヒートポンプ装置は、第二の放熱器を設け、圧縮機を第一の放熱器に接続し、第一の放熱器をボルテックスチューブの冷媒供給口に接続し、ボルテックスチューブの高温側出口を第二の放熱器に接続し、第二の放熱器を蒸発器に接続し、ボルテックスチューブの低温側出口を蒸発器に接続し、蒸発器を圧縮機に接続して冷媒循環回路を構成したものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブで低温となり断熱膨張してエンタルピーの低くなった冷媒を低温側出口から蒸発器に流入させるので、蒸発器において外気などの熱源により容易に吸熱することができ、ヒートポンプの高効率化が可能となる。また、第一の放熱器を出た中温の冷媒を、ボルテックスチューブによって高温に上昇させて第二の放熱器に流入させることにより、第二の放熱器における熱交換効率を向上させることができるとともに、第一の放熱器に加えて第二の放熱器で水などの被加熱流体を加熱し、給湯温度を一段と上昇させることができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるヒートポンプ装置において、低温側出口と蒸発器との間に、第一の絞り装置を設けたものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブの低温側出口から流出する冷媒流量を調整できるので、種々の運転条件によって適正な流量比調整を可能とし、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。
本発明の第３の実施の形態は、第１または第２の実施の形態によるヒートポンプ装置において、第二の放熱器と蒸発器との間に、第二の絞り装置を設けたものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブの高温側出口から流出する冷媒流量と低温側出口から流出する冷媒流量とを調整できるので、種々の運転条件によって適正な流量比調整を可能とし、より広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。
本発明の第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態によるヒートポンプ装置において、低温側出口と蒸発器との間に、第三の放熱器を設けたものである。本実施の形態によれば、第三の放熱器を設けたことにより、水などの被加熱流体温度が低い場合には、ボルテックスチューブの低温側出口から流出する冷媒を加熱源とすることができ、加熱能力を向上させることができる。
本発明の第５の実施の形態によるヒートポンプ装置は、圧縮機をボルテックスチューブの冷媒供給口に接続し、ボルテックスチューブの高温側出口を第一の放熱器に接続し、第一の放熱器を第二の放熱器に接続し、ボルテックスチューブの低温側出口を第二の放熱器に接続し、第二の放熱器を蒸発器に接続し、蒸発器を圧縮機に接続して冷媒循環回路を構成したものである。本実施の形態によれば、圧縮機で吐出された高温の冷媒ガスを、ボルテックスチューブでさらに高温にすることができ、水などの被加熱流体の温度を一段と上昇させることができる。
本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態によるヒートポンプ装置において、第二の放熱器と蒸発器との間に、絞り装置を設けたものである。本実施の形態によれば、絞り装置を調整することにより、冷媒循環回路を流れる冷媒流量を調整することができ、種々の運転条件に対応した適正な流量調整を可能とし、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。
本発明の第７の実施の形態は、第１から第６の実施の形態によるヒートポンプ装置において、冷媒供給口に流入する冷媒を超臨界状態とする構成にしたものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブの冷媒供給口に流入する冷媒が超臨界状態で作動することになり、ボルテックスチューブ内で冷媒の圧縮膨張が容易になるため、ボルテックスチューブの高温側と低温側のエンタルピー差を大きくとることができ、ボルテックスチューブの高性能化が可能となる。
本発明の第８の実施の形態は、第１から第７の実施の形態によるヒートポンプ装置において、冷媒供給口、高温側出口及び低温側出口を流れる冷媒を超臨界状態とする構成にしたものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブ内の冷媒状態は常に単相の超臨界状態となり、ボルテックスチューブ内で冷媒の圧縮膨張が容易となるため、ボルテックスチューブの高温側と低温側のエンタルピー差を大きくとることができ、ボルテックスチューブのさらなる高性能化が可能となる。
本発明の第９の実施の形態は、第２から第４の実施の形態、あるいは第６の実施の形態によるヒートポンプ装置において、冷媒供給口、高温側出口及び低温側出口を流れる冷媒が超臨界状態で作動するように絞り装置を制御する絞り装置制御手段を設けたものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブ内で冷媒の圧縮膨張を容易に制御できるので、ヒートポンプ装置の高性能化が可能となる。
本発明の第１０の実施の形態は、第１から第９の実施の形態によるヒートポンプ装置において、放熱器において冷媒と熱交換する媒体として水を用いたものである。本実施の形態によれば、冷媒と熱交換する媒体が水であるので、比熱が比較的大きいために熱交換効率が高くなり、高温給湯が可能となる。また、放熱器の小型化が可能となる。
本発明の第１１の実施の形態は、第１から第１０の実施の形態によるヒートポンプ装置において、冷媒循環回路を循環する冷媒として炭酸ガスを用いたものである。本実施の形態によれば、放熱器に入る冷媒温度がより高くなり、被加熱流体の高温化を高効率で実現すると共に、ボルテックスチューブ内に流入する冷媒の状態を容易に超臨界の状態とすることができ、ボルテックスチューブを有効に作用させることができる。また、万一、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は少なくなる。
【実施例１】
【０００８】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施例をヒートポンプ給湯機の例で説明するが、この実施例によって本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明の第１の実施例におけるヒートポンプ装置の回路構成図である。
図１に示すヒートポンプ装置において、冷媒循環回路は、次のように冷媒配管で接続されて構成される。即ち、圧縮機１と第一放熱器２とは圧縮機吐出側配管３１で接続され、第一放熱器２とボルテックスチューブ３の冷媒供給口３ｃとは第一放熱器２の出口側配管３２で接続され、ボルテックスチューブ３の高温側出口３ａと第二放熱器４とはこの第二放熱器４の入口側配管３３で接続されている。そして、第二放熱器４と蒸発器６とは蒸発器入口側配管３４で接続され、また、この蒸発器入口側配管３４の途中に設けた第二絞り装置７を介して接続されている。更に、ボルテックスチューブ３の低温側出口３ｂと蒸発器６とは蒸発器入口側配管３４で接続され、また、この蒸発器入口側配管３４の途中に設けた第一絞り装置５を介して接続されている。
そして、第一絞り装置５及び第二絞り装置７を出て合流した冷媒は、蒸発器６から圧縮機吸入側配管３５を経て圧縮機１へと帰還するヒートポンプサイクルを構成している。また、冷媒循環回路の内部には冷媒として炭酸ガスを封入している。また、蒸発器６は外気と熱交換するためにファン８によって外気を導入している。
一方、本実施例のヒートポンプ装置では、給湯用の水回路９が第一放熱器２及び第二放熱器４と熱交換するために設けられている。そして、水回路９を流れる被加熱流体としての水は、第二放熱器４から第一放熱器２の順に冷媒循環回路を流れる冷媒と、対向流で流れて熱交換するように構成されている。
【０００９】
以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。
圧縮機１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、第一放熱器２で水回路９を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、ボルテックスチューブ３に流入する。
ボルテックスチューブ３においては、冷媒供給口３ｃより管内壁接線方向に超臨界の冷媒が噴射され、この冷媒が渦流となって管内を旋回することにより、エネルギーの高い高温の冷媒分子は管内壁側に集まり、エネルギーの低いより低温の冷媒分子は管内中央部に集まり、互いに分かれて管内で逆方向に流れ、冷媒を高温と低温の２つの成分に分離する。このボルテックスチューブ３は、回転部分がないので摩耗や洩れが少なく、構造が簡単で製作が容易で安価である。また長年月の使用によっても性能が変化しない利点がある。
【００１０】
そして、ボルテックスチューブ３で高温になった冷媒は、高温側出口３ａから流出し、第二放熱器４に流入し、水回路９を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、第二絞り装置７で低温低圧の冷媒となる。
ボルテックスチューブ３で低温になった冷媒は、低温側出口３ｂから流出し、第一絞り装置５で低温低圧の冷媒となり、第二絞り装置７を出た冷媒と合流して蒸発器６に流入する。ここで、ファン８の回転により送風される外気と間接的に熱交換して自らは蒸発し、気体となって圧縮機１に再び吸入される。
このボルテックスチューブ３で低温となり、低温側出口３ｂから流出した冷媒は、断熱膨張してエンタルピーが減少しているため、外気との熱交換が容易になり、ヒートポンプの高効率化に繋がる利点がある。また、蒸発器６の大きさを小さくできる利点がある。
一方、水回路９の水は、まず第二放熱器４で熱交換して中温の湯となり、さらに第一放熱器２で高温の湯となって給湯に寄与する。即ち、第一放熱器２を出た中温の冷媒をボルテックスチューブ３で高温にして第二放熱器４に流入させるので、水回路９の水との温度差が大きくなって熱交換量が増加する。これにより、第二放熱器４における熱交換効率が向上するため、第一放熱器２に加えて第二放熱器４で熱交換して水の温度を上昇させることができ、より高温の湯を容易に得ることができる。また、同じ熱量を得るための熱交換器の大きさを小さくすることができる利点もある。
【００１１】
第一絞り装置５及び第二絞り装置７の開度を調整することにより、ボルテックスチューブ３の高温側出口３ａ及び低温側出口３ｂから流出する冷媒流量を調整できるので、種々の運転条件に対して適正な流量比調整を可能とし、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。例えば、第一絞り装置５及び第二絞り装置７を制御する絞り装置制御手段（図示せず）を設けて、ボルテックスチューブ３の冷媒供給口３ｃ、高温側出口３ａ及び低温側出口３ｂに流れる冷媒が超臨界状態となるように制御するものである。この制御によってボルテックスチューブ３内の冷媒を常に圧縮性のある超臨界状態とすることができ、ボルテックスチューブ３を有効に作用させることができる。
また、冷媒として炭酸ガスを用いているため、第一放熱器２に流入させる冷媒の温度を高くすることができ、第一放熱器２で熱交換する水回路９の水温も高めることができる。また、第一放熱器２を出た冷媒は超臨界状態の単相流体であり、ボルテックスチューブ３の内部の冷媒も単相流となり、管内での旋回流を乱すことなく、容易に低温の冷媒分子と分かれて管内の逆方向流れを生じさせることができ、冷媒を高温と低温の２つの成分に容易に分離することができる。換言すれば、炭酸ガスを用いることにより、ボルテックスチューブ内を容易に超臨界の状態とすることができ、ボルテックスチューブを有効に作用させて、高温給湯を高効率で達成することができる。
【００１２】
従って、本実施例のヒートポンプ装置によって、ボルテックスチューブの機能を有効に利用して、ヒートポンプの高効率化や被加熱流体の高温化に寄与できるヒートポンプ装置を提供することができる。
なお、本第１の実施例のヒートポンプ装置は、蒸発器入口側配管３４の途中に第一絞り装置５及び第二絞り装置７をそれぞれに並設した構成であるが、第一絞り装置５及び第二絞り装置７の両方を削除した冷媒循環回路で構成するヒートポンプ装置（図示せず）でも良く、ヒートポンプの高効率化や第二放熱器４による被加熱流体の高温化などの効果が得られる。
また、第一絞り装置５または第二絞り装置７の少なくとも一方の絞り装置を設けた冷媒循環回路で構成するヒートポンプ装置（図示せず）であっても良く、被加熱流体の高温化が図られるとともに、低温側出口３ｂから流出する冷媒流量や高温側出口３ａから流出する冷媒流量を調整できるので、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が図られる。
【実施例２】
【００１３】
図２は、本発明の第２の実施例におけるヒートポンプ装置の回路構成図である。
図２に示すヒートポンプ装置において、冷媒循環回路は、次のように冷媒配管で接続されて構成される。即ち、圧縮機１１と第一放熱器１２とは圧縮機吐出側配管３１で接続され、第一放熱器１２とボルテックスチューブ１３の冷媒供給口１３ｃとは第一放熱器１２の出口側配管３２で接続され、ボルテックスチューブ１３の高温側出口１３ａと第二放熱器１４とはこの第二放熱器１４の入口側配管３３で接続されている。そして、第二放熱器１４と蒸発器１６とは蒸発器入口側配管３４で接続され、また、この蒸発器入口側配管３４の途中に設けた絞り装置１５を介して接続されている。更に、ボルテックスチューブ１３の低温側出口１３ｂと第三放熱器１７とはこの第三放熱器１７の入口側配管３６で接続され、第三放熱器１７と蒸発器１６とは蒸発器入口側配管３４で接続され、また、この蒸発器入口側配管３４の途中に設けた絞り装置１５を介して接続されている。
そして、第二放熱器１４及び第三放熱器１７を出て合流した冷媒は、絞り装置１５から蒸発器１６、圧縮機吸入側配管３５を経て、圧縮機１１へと帰還するヒートポンプサイクルを構成している。また、冷媒循環回路の内部には冷媒として炭酸ガスを封入している。また、蒸発器１６は外気と熱交換するためにファン１８によって外気を導入している。
一方、本実施例では、給湯用の水回路１９の水が、第一放熱器１２、第二放熱器１４及び第三放熱器１７で冷媒と熱交換するために、第三放熱器１７を出た後に分かれて、第二放熱器１４及び第一放熱器１２を並列に流れ、冷媒循環回路の冷媒と対向流で熱交換するように構成されている。
【００１４】
以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。
圧縮機１１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、第一放熱器１２で水回路１９を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、ボルテックスチューブ１３に流入する。
ボルテックスチューブ１３においては、冷媒供給口１３ｃより管内壁接線方向に超臨界の冷媒が噴射され、この冷媒が渦流となって管内を旋回することにより、エネルギーの高い高温の冷媒分子は管内壁側に集まり、エネルギーの低いより低温の冷媒分子は管内中央部に集まり、互いに分かれて管内で逆方向に流れ、冷媒を高温と低温の２つの成分に分離する。このボルテックスチューブ１３は、回転部分がないので摩耗や洩れが少なく、構造が簡単で製作が容易で安価である。また長年月の使用によっても性能が変化しない利点がある。
【００１５】
そして、ボルテックスチューブ１３で高温になった冷媒は、高温側出口１３ａから流出し、第二放熱器１４に流入し、水回路１９を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、絞り装置１５で低温低圧の冷媒となる。
ボルテックスチューブ１３で低温になった冷媒は、低温側出口１３ｂから流出して第三放熱器１７に流入するが、いまだ熱交換する水よりも高い温度を持つため、第三放熱器１７で水回路１９を流れる水と熱交換し、自らはより低温の冷媒となる。
さらに、第三放熱器１７を出てエンタルピーの低くなった冷媒は、第二放熱器１４を出た冷媒と合流して、絞り装置１５に流入し、低温低圧の冷媒となって蒸発器１６に流入する。ここで、ファン１８の回転により送風される外気と間接的に熱交換して自らは蒸発し、気体となって圧縮機１１に再び吸入される。
このボルテックスチューブ１３で低温となり、低温側出口１３ｂから流出した冷媒は、断熱膨張してエンタルピーが減少し、さらに第三放熱器でエンタルピーが減少するため、外気との熱交換が容易になり、ヒートポンプの高効率化に繋がる利点がある。また、蒸発器１６の大きさを小さくできる利点がある。
一方、水回路１９の水は、まず第三放熱器１７で熱交換して中温の湯となり、さらに分岐して並列に第二放熱器１４及び第一放熱器１２で熱交換して高温の湯となって給湯に寄与する。即ち、第一放熱器１２を出た中温の冷媒をボルテックスチューブ１３で高温にして第二放熱器１４に流入させるので、水回路１９の水との温度差が大きくなって熱交換量が増加する。これにより、第二放熱器１４における熱交換効率が向上するため、第一放熱器１２に加えて第二放熱器１４で熱交換して、水の温度を上昇させることができ、より高温の湯を容易に得ることができる。また、同じ熱量を得るための熱交換器の大きさを小さくすることができる利点もある。
また、ボルテックスチューブ１３でやや低温になった冷媒は、低温側出口１３ｂから流出して第三放熱器１７に流入し、ここで水回路１９の水と熱交換するため、水の温度がやや上昇する。これにより、第三放熱器１７は給湯能力の向上に寄与することができる。
【００１６】
絞り装置１５の開度を調整することにより、冷媒循環回路を流れる冷媒流量を調整することができる。この調整によって、種々の運転条件に対応した適正な流量調整を可能とし、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。
また、冷媒として炭酸ガスを用いているため、第一放熱器１２を出た冷媒は超臨界状態の単相流体であり、ボルテックスチューブ１３の内部の冷媒も単相流となり、管内での旋回流を乱すことなく、容易に低温の冷媒分子と分かれて管内の逆方向流れを生じさせることができ、冷媒を高温と低温の２つの成分に容易に分離することができる。即ち、冷媒として炭酸ガスを用いることは、高温給湯を高効率で達成することができる利点に繋がる。
【００１７】
従って、本実施例のヒートポンプ装置によって、ボルテックスチューブの機能を有効に利用して、ヒートポンプの高効率化や被加熱流体の高温化に寄与できるヒートポンプ装置を提供することができる。
なお、本第２の実施例のヒートポンプ装置は、絞り装置１５を設けた構成であるが、絞り装置１５を削除した冷媒循環回路で構成するヒートポンプ装置（図示せず）でも良く、ヒートポンプの高効率化や第三放熱器１７による被加熱流体の高温化などの効果が得られる。
また、本第２の実施例において、第１の実施例の構成と同様に、絞り装置１５に代えて、第１絞り装置５及び第二絞り装置６を蒸発器入口側配管３４にそれぞれ並設する構成のヒートポンプ装置でも良い。
【実施例３】
【００１８】
図３は、本発明の第３の実施例におけるヒートポンプ装置の回路構成図である。
図３に示すヒートポンプ装置において、冷媒循環回路は、次のように冷媒配管で接続されて構成される。即ち、圧縮機２１とボルテックスチューブ２２の冷媒供給口２２ｃとは圧縮機吐出側配管３１で接続され、ボルテックスチューブ２２の高温側出口２２ａと第一放熱器２３とはこの第一放熱器２３の入口側配管３７で接続され、第一放熱器２３と第二放熱器２４とはこの第二放熱器２４の入口側配管３３で接続され、ボルテックスチューブ２２の低温側出口２２ｂと第二放熱器２４とは同じく入口側配管３３で接続されている。即ち、第一放熱器２３及び低温側出口２２ｂを出た冷媒は合流して第二放熱器２４に流入する構成である。更に、第二放熱器２４と蒸発器２６とは蒸発器入口側配管３４で接続され、また、この蒸発器入口側配管３４の途中に設けた絞り装置２５を介して接続される。
そして、第二放熱器２４を出た冷媒は、絞り装置２５から蒸発器２６、圧縮機吸入側配管３５を経て圧縮機２１へと帰還するヒートポンプサイクルを構成している。また、冷媒循環回路の内部には冷媒として炭酸ガスを封入している。また、蒸発器２６は外気と熱交換するためにファン２７によって外気を導入している。
一方、本実施例では、給湯用の水回路２８の水が、第一放熱器２３及び第二放熱器２４で冷媒と熱交換するために、第二放熱器２４、第一放熱器２３の順に流れ、冷媒循環回路の冷媒と対向流で熱交換するように構成されている。
【００１９】
以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。
圧縮機２１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、ボルテックスチューブ２２に流入し、ここで、冷媒供給口２２ｃより管内壁接線方向に超臨界の冷媒が噴射され、この冷媒が渦流となって管内を旋回することにより、エネルギーの高い高温の冷媒分子は管内壁側に集まり、エネルギーの低いより低温の冷媒分子は管内中央部に集まり、互いに分かれて管内で逆方向に流れ、冷媒を高温と低温の２つの成分に分離する。このボルテックスチューブ２２は、回転部分がないので摩耗や洩れが少なく、構造が簡単で製作が容易で安価である。また長年月の使用によっても性能が変化しない利点がある。
【００２０】
そして、ボルテックスチューブ２２の高温側出口２２ａから流出した高温の冷媒は、第一放熱器２３で水回路２８を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、低温側出口２２ｂから流出した低温の冷媒と合流して第二放熱器２４に流入する。
さらに、第二放熱器２４を出てエンタルピーの低くなった冷媒は、絞り装置２５に流入し、低温低圧の冷媒となって蒸発器２６に流入する。ここで、ファン２７の回転により送風される外気と間接的に熱交換して自らは蒸発し、気体となって圧縮機２１に再び吸入される。
この第二放熱器２４から流出した冷媒はエンタルピーが減少するため、外気との熱交換が容易になり、ヒートポンプの高効率化に繋がる利点がある。また、蒸発器２６の大きさを小さくできる利点がある。
一方、水回路２８の水は、まず第二放熱器２４で熱交換して中温の湯となり、さらに第一放熱器２３で熱交換して高温の湯となって給湯に寄与する。即ち、第二放熱器２４では、圧縮機２２を出た全冷媒が流れ込むため、冷媒側熱伝達率が向上して、熱交換効率が向上する。そのため、第一放熱器２３に加えて第二放熱器２４で熱交換して、水の温度を上昇させることができ、より高温の湯を容易に得ることができる利点がある。また、同じ熱量を得るための熱交換器の大きさを小さくすることができる利点がある。
【００２１】
絞り装置２５の開度を調整することにより、冷媒循環回路を流れる冷媒流量を調整することができる。この調整によって、種々の運転条件に対応した適正な流量調整を可能とし、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。
また、冷媒として炭酸ガスを用いているため、ボルテックスチューブ２２に流入する冷媒は超臨界状態の単相流体であり、ボルテックスチューブ２２の内部の冷媒も単相流となり、管内での旋回流を乱すことなく、容易に低温の冷媒分子と分かれて管内の逆方向流れを生じさせることができ、冷媒を高温と低温の２つの成分に容易に分離することができる。従って、冷媒として炭酸ガスを用いることは、高温給湯を高効率で達成することができる利点に繋がる。
また、ボルテックスチューブ２２の高温側出口２２ａから流出する冷媒の温度は、通常の冷媒循環回路で最も温度の高くなる圧縮機２１の吐出ガス冷媒温度よりも更に高くすることができるので、第一放熱器２３の水回路２８で、更に高温の湯を容易に作り出すことができるという利点もある。
【００２２】
従って、本実施例のヒートポンプ装置によって、ボルテックスチューブの機能を有効に利用して、ヒートポンプの高効率化や被加熱流体の高温化に寄与できるヒートポンプ装置を提供することができる。
なお、上記各実施例においては、１個のボルテックスチューブを用いた構成について説明したが、複数個のボルテックスチューブを直列あるいは並列に接続して用いる構成でも良く、その場合には、ヒートポンプの性能や被加熱流体の高温化がさらに向上する。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
以上のように、本発明は、ボルテックスチューブを有効活用しヒートポンプの高効率化等を図るものであり、ヒートポンプ給湯機、空調機、冷凍機等の高効率化に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施例におけるヒートポンプ装置の回路構成図
【図２】本発明の第２の実施例におけるヒートポンプ装置の回路構成図
【図３】本発明の第３の実施例におけるヒートポンプ装置の回路構成図
【図４】従来のヒートポンプ装置の回路構成図
【符号の説明】
【００２５】
１，１１，２１  圧縮機
２，１２，２３  第一放熱器
３，１３，２２  ボルテックスチューブ
３ａ，１３ａ，２２ａ  高温側出口
３ｂ，１３ｂ，２２ｂ  低温側出口
３ｃ，１３ｃ，２２ｃ  冷媒供給口
４，１４，２４  第二放熱器
５    第一絞り装置
６，１６，２６  蒸発器
７    第二絞り装置
８，１８，２７  ファン
９，１９，２８  水回路
１５，２５  絞り装置
１７  第三放熱器
３１  圧縮機吐出側配管
３２  出口側配管
３３  第二放熱器の入口側配管
３４  蒸発器入口側配管
３５  圧縮機吸入側配管
３６  第三放熱器の入口側配管
３７  第一放熱器の入口側配管
【図１】
2005164104.tif 000003
【図２】
2005164104.tif 000004
【図３】
2005164104.tif 000005
【図４】
2005164104.tif 000006