(57)【要約】【課題】  断熱膨張後において自然冷媒が保有している低温エネルギーを回収して有効活用が図れる自然冷媒ヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】  ＣＯ２等の自然冷媒を、コンプレッサー１２で超臨界状態として第１の熱交換器１４に送り、第１の熱交換器１４を経て低温高圧状態となった自然冷媒を膨張タービン１５で断熱膨張させる。液化したＣＯ２は第２の熱交換器１０の冷熱用熱交換器１６へ導入され、中間冷媒Ｍと熱交換される。この中間冷媒Ｍに与えられた低温エネルギーは冷熱蓄熱槽１７へ伝熱され、冷熱蓄熱槽１７内の蓄冷材により蓄冷される。そして蓄冷された低温エネルギーは、冷房機１８の冷熱源として活用される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体状態の自然冷媒を圧縮機で高温高圧化して第１の熱交換器に送り、該第１の熱交換器を経て低温高圧化した自然冷媒を膨張させて低温低圧の液体状態とし、この液体状態化した自然冷媒を第２の熱交換器にて気体状態化して前記圧縮機へ送るサイクルを有する自然冷媒ヒートポンプにおいて、
第２の熱交換器に対し、該第２の熱交換器おける熱交換の際に生じる冷熱を回収する冷熱回収機構を付設したことを特徴とする自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項２】
第２の熱交換器が、冷熱を回収させる冷熱用熱交換器と、自然冷媒と大気との熱交換を行わせる昇温用熱交換器とからなることを特徴とする請求項１記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項３】
冷熱回収機構が、冷熱を蓄熱することが可能な冷熱蓄熱槽と、該冷熱蓄熱槽と前記冷熱用熱交換器との間を循環する配管路であって、冷熱用熱交換器で回収された冷熱を冷熱蓄熱槽へ伝熱する中間冷媒が封入された伝熱配管路と、前記冷熱蓄熱槽を冷熱源とする冷熱機器とを具備することを特徴とする請求項２記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項４】
自然冷媒を膨張させる機構が膨張タービンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項５】
膨張タービンには回転軸を介して発電機が連結されており、膨張タービンに低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることで軸出力を得て前記発電機が駆動されるよう構成したことを特徴とする請求項４記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項６】
自然冷媒を膨張させる機構として膨張タービンと膨張弁とを備え、
第１の熱交換器を経て低温高圧化した自然冷媒を、前記膨張タービン及び前記冷熱用熱交換器を順次経由して昇温用熱交換器へ至らせる第１の流通系統と、前記膨張弁を経由して昇温用熱交換器へ至らせる第２の流通系統とを有すると共に、
前記第１の流通系統及び第２の流通系統のいずれかに自然冷媒を選択的に流通させる切り替え機構を有することを特徴とする請求項２記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項７】
冷熱回収機構が、冷熱機器と、該冷熱機器と前記冷熱用熱交換器との間を循環する配管路であって、冷熱用熱交換器で回収された冷熱を前記冷熱機器へ伝熱する中間冷媒が封入された伝熱配管路とを具備し、
前記冷熱機器は、前記中間冷媒を直接の冷熱源とするものであることを特徴とする請求項２記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項８】
昇温用熱交換器において熱交換された大気を、室外機付き冷房機器の室外機吸気口へ導入させる冷熱回収機構をさらに備えることを特徴とする請求項２又は７のいずれかに記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項９】
前記第２の熱交換器が、自然冷媒からの冷熱の回収機能及び大気との熱交換により自然冷媒を昇温させる昇温機能を兼ねる単一の熱交換器からなり、
冷熱回収機構が、前記単一の熱交換器において熱交換された大気を、室外機付き冷房機器の室外機吸気口へ導入させる機構であることを特徴とする請求項１記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項１０】
自然冷媒を膨張させる機構が膨張タービンであって、
前記膨張タービンが、第１の熱交換器を経た自然冷媒が導入される第１の膨張タービンと、該第１の膨張タービンから排出された自然冷媒が導入される第２の膨張タービンとを少なくとも備える複数段構成とされ、自然冷媒が前記第１の膨張タービンから排出されて第２の膨張タービンに導入される間に、中間熱交換器を経由するよう構成してなり、
冷熱回収機構が、前記中間熱交換器で回収された冷熱を回収する機構をさらに備えるものであることを特徴とする請求項１記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項１１】
中間熱交換器、第２の熱交換器、及び冷熱回収機構における冷熱蓄熱槽又は冷熱機器の間を循環する、中間冷媒が封入された伝熱配管路を設け、
前記中間冷媒が、前記中間熱交換器で第一段の冷却がなされ、前記第２の熱交換器により第二段の冷却がなされた上で、前記冷熱蓄熱槽又は冷熱機器へ導かれるよう構成したことを特徴とする請求項１０記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭用や業務用の給湯、風呂、暖房等に熱を供給するヒートポンプ、特にＣＯ２等の自然界に存在する冷媒を用いた自然冷媒ヒートポンプに、冷熱を利用するための冷熱回収機構を付加したシステム構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、オゾン層保護の観点から、フロン等の人為的に合成された冷媒ではなく、ＣＯ２、水、空気、アンモニア、ハイドロカーボン等の自然界に存在する物質を冷媒（このような冷媒を本明細書では「自然冷媒」という）として用いた熱システムが注目されており、実際このような自然冷媒を使用したヒートポンプ（以下、自然冷媒ヒートポンプという）システム応用品、例えば家庭用や業務用の自然冷媒ヒートポンプ給湯器が、既に多くの企業で商品化されて販売されている（例えば特許文献１、２参照）。また、特許文献３には、冷房・暖房用途のいずれにも効率的に運転できる蓄熱式ヒートポンプシステムが提案されている。
【０００３】
図８は、家庭や業務用の熱供給システムを構築するために用いられる、従来の自然冷媒ヒートポンプのシステム例を示している。このシステムは基本構成として、ヒートポンプユニット１００と貯湯ユニット２００とを備えている。そしてヒートポンプユニット１００は、蒸発器１０１、ＣＯ２圧縮機（コンプレッサー）１０２並びに該コンプレッサー１０２を駆動する電動機１０３、熱交換器１０４、及び膨張弁１０５を有し、これら機器は循環管路で連結されており、該管路内には自然冷媒、例えばＣＯ２が封入されている。
【０００４】
このような構成において、先ず前記自然冷媒（ＣＯ２）は蒸発器１０１において熱交換作用を受けて気体Ｐ１０とされ、コンプレッサー１０２へ送られる。そしてコンプレッサー１０２においてＣＯ２は圧縮され、約１３０℃の高温に加熱されて超臨界状態とされた超臨界流体Ｐ２０となり、熱交換器１０４へ送られる。熱交換器１０４でＣＯ２は、貯湯ユニット２０の貯湯槽２０１から循環されて来る水と熱交換して約６０〜９０℃程度まで昇温させ、温水Ｗを生成する。一方、ＣＯ２自身は常温近くまで冷却され、常温流体Ｐ３０となる。この時点でＣＯ２はまだ高圧の超臨界状態であるために、膨張弁１０５で断熱膨張され、大部分が液体ＣＯ２でその一部が気体ＣＯ２である二相流体Ｐ４０となる。しかる後、ＣＯ２二相流体Ｐ４０は蒸発器１０１へ戻り、空気中から熱を取り込み常温まで昇温されて気化して気体Ｐ１０となり、上述のサイクルが繰り返されるものである。
【０００５】
他方、生成された温水Ｗは貯湯槽２０１へ送られる。この場合貯湯槽２０１内の水温分布は、上層部が約６０〜９０℃の高温、下層部が常温の温度混合層になる。この貯湯槽２０１から必要に応じて給湯、風呂用の湯が供給され、また不足する水は水道水等から貯湯槽２０１へ給水される。このような自然冷媒ヒートポンプを用いた熱供給システムによれば、熱交換器１により大気の熱を取り込むために、使用する電力量と大気の熱を給湯用エネルギーとして使用でき、ＣＯＰ（利用できる熱エネルギー量／使用する電力エネルギー量）は３となり、非常に経済的なシステムを構築することができる。
【０００６】
図９（イ）に、上述したようなＣＯ２自然冷媒ヒートポンプのＴ−Ｓ線図を、図９（ロ）に、Ｐ−Ｉ線図をそれぞれ示しておく。なお、これら線図における（ａ）〜（ｄ）の記号は、Ｔ−Ｓ線図中に略記しているヒートポンプシステム図に付されている記号（ａ）〜（ｄ）と対応し、当該部位の状態を示すものである。従って、図８中の矢印Ｐ１０＝（ａ）、Ｐ２０＝（ｂ）、Ｐ３０＝（ｃ）、Ｐ４０＝（ｄ）という対応関係となる。図９（イ）、（ロ）において、状態（ａ）における２ＭＰａ，−３℃のＣＯ２ガスはコンプレッサーで圧縮され、状態（ｂ）の１００℃（上述の例では約１３０℃として説明），１０ＭＰａの高圧臨界流体となる。その後、熱交換器に入り、貯湯槽の給水と熱交換され、状態（ｃ）の約１８℃程度まで温度が低下する一方で、１０ＭＰａの高圧臨界状態が維持された常温高圧臨界流体となる。この状態で膨張弁により、状態（ｄ）の通り２ＭＰａ，−３℃まで膨張して大部分は液化し、一部は気化してＣＯ２ガス化する二相流体となる。しかる後、蒸発器により全てが気体のＣＯ２ガスになる。このサイクルを繰り返すことにより熱交換器で給湯水が製造されるものである。
【特許文献１】特開２００３−１８５３０６号公報
【特許文献２】特開２００２−３７２３１８号公報
【特許文献３】特開平６−１７４２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したような自然冷媒ヒートポンプシステムは、高圧の超臨界状態にある自然冷媒（ＣＯ２）を膨張弁１０５で断熱膨張させ、常圧近くまで減圧して低温状態としてその大部分を液化した上で蒸発器１０１へ戻し、この蒸発器１０１において空気中から熱を取り込んで自然冷媒を常温状態まで再度昇温することで、これを気化させてコンプレッサー１０２へ導く構成であり、結果的に断熱膨張後の低温状態において当該自然冷媒が保有している低温エネルギーの有効活用が図られていないという問題がある。すなわち、膨張弁１０５を経由して低温状態とされた自然冷媒が、蒸発器１０１において大気と熱交換されて常温状態とされるのであるが、この際に自然冷媒が保有している低温エネルギーは大気中に放散されてしまうことから、従来の自然冷媒ヒートポンプシステムでは低温エネルギーの有効活用という面では不十分であると言わざるを得ない。
【０００８】
従って本発明は、従来は大気中に放散されていた、断熱膨張後において自然冷媒が保有している低温エネルギーを回収して有効活用することで、該システムが省エネルギー効果を享受できるようにすると共に、例えば給湯用の温熱と冷房用の冷熱との双方を供給できる経済的な自然冷媒ヒートポンプシステム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】
【０００９】
本発明の請求項１にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、気体状態の自然冷媒を圧縮機で高温高圧化して第１の熱交換器に送り、該第１の熱交換器を経て低温高圧化した自然冷媒を膨張させて低温低圧の液体状態とし、この液体状態化した自然冷媒を第２の熱交換器にて気体状態化して前記圧縮機へ送るサイクルを有する自然冷媒ヒートポンプにおいて、第２の熱交換器に対し、該第２の熱交換器おける熱交換の際に生じる冷熱を回収する冷熱回収機構を付設したことを特徴とする。なお、上記構成において「低温低圧の液体状態」とは、前述したような、大部分が液体でその一部が気体である二相流体の状態も含んでいる。
【００１０】
自然冷媒ヒートポンプシステムにおける自然冷媒の状態サイクルにおいては、第１の熱交換器で温熱を供給して低温高圧となった自然冷媒が、膨張弁等で膨張され、一時的に低温低圧の液体状態（つまり低温エネルギーの保有状態）を呈するという特質があると言える。このとき、自然冷媒がＣＯ２である場合、該液体状態のＣＯ２は水の氷点以下の低温であることから、冷熱源としては十分なエネルギーを備えている。その後、圧縮機に自然冷媒を送るに際しては、該自然冷媒を気化させる必要があるところ、上記の構成によれば、前記気化を行わせる第２の熱交換器において冷熱回収機構により前記低温エネルギー（冷熱）を回収するので、この回収された低温エネルギーを種々の冷熱用途に用いることができるようになる。
【００１１】
請求項２にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項１において、第２の熱交換器が、冷熱を回収させる冷熱用熱交換器と、自然冷媒と大気との熱交換を行わせる昇温用熱交換器とからなることを特徴とする。本発明においては、第２の熱交換器は自然冷媒を気体状態化させ得るものであれば特にその態様に制限はなく、また冷熱回収機構は第２の熱交換器における熱交換の際に生じる冷熱を何らかの方法で回収できるものであれば特に回収機構の態様に制限はない。しかしながら、請求項２の構成のように、第２の熱交換器を冷熱用熱交換器と昇温用熱交換器とに分離すれば、冷熱の回収を冷熱用熱交換器にて行い、自然冷媒の完全な気体化及び常温化を昇温用熱交換器（一般的なヒートポンプシステムで用いられている蒸発器）にて行わせることができる。すなわち、自然冷媒がＣＯ２である場合、氷点以下の低温である液体状態のＣＯ２を冷熱用熱交換器に導入して、製氷できる程度の冷熱を回収する（気化熱を回収する）と共にＣＯ２をほぼ気化し、その後昇温用熱交換器に導入して常温まで昇温させるという動作が可能となる。
【００１２】
請求項３にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項２において、冷熱回収機構が、冷熱を蓄熱することが可能な冷熱蓄熱槽と、該冷熱蓄熱槽と前記冷熱用熱交換器との間を循環する配管路であって、冷熱用熱交換器で回収された冷熱を冷熱蓄熱槽へ伝熱する中間冷媒が封入された伝熱配管路と、前記冷熱蓄熱槽を冷熱源とする冷熱機器とを具備することを特徴とする。この構成によれば、冷熱用熱交換器で回収された冷熱は伝熱配管路により冷熱蓄熱槽へ送られ、冷熱蓄熱槽においてその低温（冷熱）エネルギーが蓄熱（蓄冷）されるようになる。そして蓄冷された冷熱エネルギーを用いて、各種冷熱機器を動作若しくは動作補助させることが可能となる。
【００１３】
ここで、冷熱蓄熱槽を「冷熱源」とする態様としては、例えば業務用又は家庭用空調機器や冷凍機器の冷媒を前記冷熱蓄熱槽内に循環させて、冷熱蓄熱槽に蓄冷された低温エネルギーで前記冷媒を冷却させる等の態様を例示することができる。また、当該冷熱蓄熱槽自体を冷熱発生源とする（例えば製氷機や冷凍庫として活用する）態様の他、飲料水配管を前記冷熱蓄熱槽内に循環させて冷水を生成する等の態様を例示することができる。
【００１４】
請求項４にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項１〜３のいずれかにおいて、自然冷媒を膨張させる機構が膨張タービンであることを特徴とする。このように自然冷媒の膨張機構として膨張タービンを用いれば、単に膨張弁を用いて膨張させる場合に比べて、膨張エネルギーを機械的な駆動エネルギーに転換して活用することが容易に行えるようになる。
【００１５】
請求項５にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項４において、膨張タービンには回転軸を介して発電機が連結されており、膨張タービンに低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることで軸出力を得て前記発電機が駆動されるよう構成したことを特徴とする。この構成によれば、自然冷媒の膨張エネルギーを活用して発電することができるようになる。
【００１６】
請求項６にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項２において、自然冷媒を膨張させる機構として膨張タービンと膨張弁とを備え、第１の熱交換器を経て低温高圧化した自然冷媒を、前記膨張タービン及び前記冷熱用熱交換器を順次経由して昇温用熱交換器へ至らせる第１の流通系統と、前記膨張弁を経由して昇温用熱交換器へ至らせる第２の流通系統とを有すると共に、前記第１の流通系統及び第２の流通系統のいずれかに自然冷媒を選択的に流通させる切り替え機構を有することを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、超臨界状態の自然冷媒の流路を、膨張タービン及び冷熱用熱交換器を経由する第１の流通系統と、これらを経由せずに膨張弁を経由して昇温用熱交換器に至る第２の流通系統とを自在に選択できるようになる。一般に膨張弁による自然冷媒を膨張させた場合、乱流、騒音、振動により圧力エネルギーは熱に変換されることから、膨張タービンによる膨張の場合に比較して、断熱膨張後の自然冷媒の温度は高くなる。例えばＣＯ２を膨張弁で膨張させた場合、断熱膨張後のＣＯ２温度は−３℃〜７℃と比較的高温となる。このような温度域まで昇温されると、昇温用熱交換器単体でＣＯ２の気化・昇温が可能となることから、例えば冷熱用熱交換器にて冷熱を回収しない場合に前記第２の流通系統に自然冷媒をバイパスさせるというような運転が行えるようになる。
【００１８】
請求項７にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項２において、冷熱回収機構が、冷熱機器と、該冷熱機器と前記冷熱用熱交換器との間を循環する配管路であって、冷熱用熱交換器で回収された冷熱を前記冷熱機器へ伝熱する中間冷媒が封入された伝熱配管路とを具備し、前記冷熱機器は、前記中間冷媒を直接の冷熱源とするものであることを特徴とする。この構成によれば、上述の冷熱蓄熱槽等を用いず、冷熱用熱交換器において自然冷媒の低温エネルギーと冷熱機器の中間冷媒とが直接熱交換され、冷熱を授受された当該中間冷媒を直接の冷熱源として冷熱機器が駆動されることとなる。
【００１９】
請求項８にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項２又は７のいずれかにおいて、昇温用熱交換器において熱交換された大気を、室外機付き冷房機器の室外機吸気口へ導入させる冷熱回収機構をさらに備えることを特徴とする。この構成によれば、自然冷媒と熱交換して低温となった大気が冷房機器の室外機吸気口へ導入されるので、当該冷房機器の冷却効率を向上させることができる。
【００２０】
請求項９にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項１において、前記第２の熱交換器が、自然冷媒からの冷熱の回収機能及び大気との熱交換により自然冷媒を昇温させる昇温機能を兼ねる単一の熱交換器からなり、冷熱回収機構が、前記単一の熱交換器において熱交換された大気を、室外機付き冷房機器の室外機吸気口へ導入させる機構であることを特徴とする。この構成によれば、前記単一の熱交換器を経由して低温となった大気が冷房機器の室外機吸気口へ導入されるので、当該冷房機器の冷却効率を向上させることができる。
【００２１】
請求項１０にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項１において、自然冷媒を膨張させる機構が膨張タービンであって、前記膨張タービンが、第１の熱交換器を経た自然冷媒が導入される第１の膨張タービンと、該第１の膨張タービンから排出された自然冷媒が導入される第２の膨張タービンとを少なくとも備える複数段構成とされ、自然冷媒が前記第１の膨張タービンから排出されて第２の膨張タービンに導入される間に、中間熱交換器を経由するよう構成してなり、冷熱回収機構が、前記中間熱交換器で回収された冷熱を回収する機構をさらに備えるものであることを特徴とする。自然冷媒を膨張させる機構として膨張タービンを採用した場合において、例えば約１０ＭＰａの高圧超臨界状態にある自然冷媒を単段の膨張タービンで単純に膨張させると、自然冷媒のガス温度が極度に低下する恐れがある。この対策として、膨張タービンを第１・第２の膨張タービンの複数段構成にし、その中間に大気と熱交換させる中間熱交換器を組み込むことで、圧力が低下した自然冷媒を大気温度まで昇温させた後に次段の膨張タービンに導入する手法を採ることができる。このような構成を採ると、前記中間熱交換器でも低温エネルギーが発生することから、請求項１０の構成ではこの中間熱交換器において熱交換時に生じる冷熱をも回収するようにしたものである。
【００２２】
請求項１１にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項１０において、中間熱交換器、第２の熱交換器、及び冷熱回収機構における冷熱蓄熱槽又は冷熱機器の間を循環する、中間冷媒が封入された伝熱配管路を設け、前記中間冷媒が、前記中間熱交換器で第一段の冷却がなされ、前記第２の熱交換器により第二段の冷却がなされた上で、前記冷熱蓄熱槽又は冷熱機器へ導かれるよう構成したことを特徴とする。この構成によれば、中間熱交換器と第２の熱交換器とにより、中間冷媒は二段階的に冷却されるようになる。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、自然冷媒の気化を行わせる第２の熱交換器において、冷熱回収機構により自然冷媒から低温エネルギー（冷熱）を回収させるので、エネルギーの有効活用を図ることができ、例えば第１の熱交換器で温熱を給湯用途等に供給し、第２の熱交換器に付設した冷熱回収機構により回収した冷熱を冷房用途等に活用することで、夏季において冷熱と温熱の双方を供給できる経済的な自然冷媒ヒートポンプシステムを構築することができるという効果を奏する。
【００２４】
請求項２にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、第２の熱交換器を冷熱用熱交換器と昇温用熱交換器とに分離するので、冷熱の回収を比較的容易に、しかも効率的に行うことが出来る。例えば自然冷媒としてＣＯ２を用いた場合、氷点以下の低温である液体状態のＣＯ２を冷熱用熱交換器に導入して製氷できる程度の冷熱を回収すると共に、ＣＯ２の常温までの昇温は昇温用熱交換器で別途行わせるようにすることで、低温エネルギーの回収とＣＯ２の常温までの復帰とを効率的に行わせることが出来るようになる。
【００２５】
請求項３にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、冷熱蓄熱槽において回収された冷熱エネルギーを蓄冷させておき、このような冷熱蓄熱槽を冷熱源若しくは冷熱生成補助源として冷熱機器を動作させる構成であるので、経済的に自然冷媒ヒートポンプシステムを運用することができる。すなわち、自然冷媒ヒートポンプシステムにおいて必須となる圧縮機の駆動には通常電気が使用される（電動機を用いて圧縮機を駆動する）ことから、安価な深夜電力を利用して自然冷媒ヒートポンプシステムを運転することが望ましいが、請求項３の構成のように冷熱蓄熱槽を用いれば、かかる深夜運転にて低コストで冷熱エネルギーを生成し、これを蓄冷しておいて昼間などに活用するという運用ができ、その経済性をより向上させることができる。
【００２６】
請求項４にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、膨張タービンの活用により膨張エネルギーの機械的な駆動エネルギーへの転換が容易に行える。すなわち、膨張タービンに軸出力を設け、その回転力を各種装置の機械的駆動源とすることで、エネルギーの有効活用を図ることができ、自然冷媒ヒートポンプシステムの運用面での経済性を高くすることができる。
【００２７】
請求項５にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、自然冷媒の膨張エネルギーを活用して発電することができるので、得られた電力で自然冷媒ヒートポンプシステムが敷設された事業所や家庭の電力需要の一部が賄えるようになる。また、この電力を例えば自然冷媒ヒートポンプシステムの圧縮機駆動用電動機の駆動電源として用いれば、自然冷媒ヒートポンプシステムのＣＯＰをより向上させることができ、システムのさらなる経済化を図ることができる。
【００２８】
請求項６にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、自然冷媒を、膨張タービン及び冷熱用熱交換器を経由する第１の流通系統、又は膨張弁を経由して昇温用熱交換器に至る第２の流通系統のいずれかに選択的に流通させることができ、これにより膨張タービン及び冷熱用熱交換器を経由させずに自然冷媒を循環させることができる。従って、冷熱用熱交換器にて冷熱を回収しない場合に前記第２の流通系統に自然冷媒をバイパスさせるというような運転が行えるようになる。すなわち、水の氷点以下の冷熱を発生することになる膨張タービンを経由させた場合、冬季等の冷熱エネルギーが不要な季節には冷熱用熱交換器において熱回収（気化熱供給）が不十分となりがちであり、しかも外気温が低いことから凝結等が生じて昇温用熱交換器では自然冷媒の気化・昇温を行えなくなる危惧がある。そこで、このような場合に断熱膨張後の自然冷媒の温度を比較的高温にできる膨張弁を含む流通系統（第２の流通系統）を用意しておくことで、昇温用熱交換器単体でも自然冷媒の気化・昇温が行えるようになり、而して冬季等の冷熱用熱交換器にて冷熱を回収しない場合には第２の流通系統にバイパスさせて自然冷媒の循環性を確保するという運転が行え、システムの信頼性を向上させることができるものである。
【００２９】
請求項７にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、冷熱蓄熱槽等を用いず、冷熱用熱交換器において自然冷媒の低温エネルギーと冷熱機器の中間冷媒とが直接熱交換され、冷熱を授受された当該中間冷媒を直接の冷熱源として冷熱機器が駆動されるので、比較的簡易な構成で冷熱の利用を図ることができる。従って、一般に機器の設置箇所等に制約が多い家庭用や小規模業務用の自然冷媒ヒートポンプシステムとして好適なシステムを構築することができる。
【００３０】
請求項８にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、自然冷媒と熱交換して低温となった大気を冷房機器の室外機吸気口へ導入し、当該冷房機器の冷却効率を向上させる構成であるので、冷熱用熱交換器だけでなく昇温用熱交換器から発せられる冷熱も有効活用されることになり、より一層エネルギー利用率が高い経済的なシステムとすることができる。
【００３１】
請求項９にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、第２の熱交換器を、自然冷媒からの冷熱の回収機能及び大気との熱交換により自然冷媒を昇温させる昇温機能を兼ねる単一の熱交換器で構成し、また前記単一の熱交換器を経由して低温となった大気を冷房機器の室外機吸気口へ導入させる構成であるので、きわめてシンプルな装置構成で自然冷媒ヒートポンプシステムの経済性を向上させることができる。
【００３２】
請求項１０にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、膨張タービンを第１・第２の膨張タービンからなる複数段構成とし、その間に配置された中間熱交換器において熱交換時に生じる冷熱をも回収する構成であるので、中間熱交換器にて圧力が低下した自然冷媒を大気温度まで昇温させることから、次段の膨張タービンにおけるエネルギー回収性をより高めることができる一方で、当該中間熱交換器で発生する冷熱も有効活用されるので、自然冷媒ヒートポンプシステムの経済性を向上させることができる。
【００３３】
請求項１１にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、中間冷媒は中間熱交換器と第２の熱交換器とにより、自然冷媒は二段階的に冷却されるようになる。従って冷熱の取り出し性が良好となり、冷熱回収機構の冷却能力を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。
（第１実施形態）
図１は本発明にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成例を示すブロック図である。このシステムは基本構成として、自然冷媒を用いたヒートポンプユニット１、給湯用の温水を生成して貯湯する貯湯ユニット２、及び前記ヒートポンプユニット１から冷熱を回収する冷熱回収機構３を備えている。
【００３５】
ヒートポンプユニット１は、自然冷媒の圧縮機（コンプレッサー）１２並びに該コンプレッサー１２を駆動する電動機１３、給湯用の温水を製造する第１の熱交換器１４、膨張タービン１５、及び自然冷媒を気化すると共に自然冷媒が保有する冷熱エネルギーを抽出可能とする第２の熱交換器１０などを有し、これら機器は循環管路１０１で連結されており、該管路１０１内には自然冷媒、例えばＣＯ２が封入されている。また本実施形態では、第２の熱交換器１０が、冷熱を回収させる冷熱用熱交換器１６と、自然冷媒と大気との熱交換を行わせる昇温用熱交換器１１とから構成されている例について示している。
【００３６】
コンプレッサー１２は、第２の熱交換器１０から送られて来る自然冷媒を圧縮して高温高圧化するもので、各種の気体圧縮機が使用でき、二段圧縮ロータリー式の圧縮機等も使用することができる。本実施形態では電動機１３にてコンプレッサー１２を駆動させる態様を例示しているが、ガスエンジン方式であっても良い。このコンプレッサー１２による自然冷媒の圧縮は、自然冷媒を超臨界状態にまで高温高圧化することを目的とし、自然冷媒としてＣＯ２を使用した場合には、このＣＯ２ガスはコンプレッサー１２で１０〜２０ＭＰａ程度に圧縮されると共に、約１３０℃の高温に加熱され、超臨界状態とされる。
【００３７】
第１の熱交換器１４は、高温高圧の超臨界状態にある自然冷媒が保有する熱を、低温状態にある他の熱吸収媒体に伝熱するための機器である。前記熱吸収媒体は、当該自然冷媒ヒートポンプシステムが例えば給湯用途である場合は水であり、空調用途である場合には空気となる。本実施形態では、給湯用途を例示しており、この場合第１の熱交換器１４内には後述する通り水が流通可能とされ、自然冷媒が保有する熱がこの水に与えられることとなる。そしてこの熱の授受により、水は加温される一方で、自然冷媒（ＣＯ２）自身は常温近くまで冷却されることになる。
【００３８】
膨張タービン１５は、例えばその内部に回転自在に配置されているタービンインペラとロータ（回転体）に対して高圧気体を供給し、該高圧気体が断熱膨張するときのエネルギーをタービンインペラで受け、これをロータの回転力に変換（軸出力に変換）する機構を有するものが用いられる。本実施形態では、第１の熱交換器１４を経て常温近くまで冷却されているが超臨界状態を保ったままのＣＯ２自然冷媒が、この膨張タービン１５へ導入される。そして該膨張タービン１５内で超臨界状態のＣＯ２は断熱膨張し、このときのエネルギーが前記タービンインペラを介して数千〜数万回転の高速ロータ回転力として回転軸１５１に出力（軸出力）される。
【００３９】
膨張タービン１５の回転軸１５１には発電機１５２が直結されており、発電機１５２の回転子は前記回転軸１５１で回転駆動されて同期高速回転し、高周波の交流電力を発電するよう構成されている。しかし、このような高周波交流電力は、そのままでは一般電気機器用の電源として用いることができない。そこでインバータ１５３を設置し、発電機１５２が発生する出力電圧をインバータ１５３へ入力し、高周波交流電力を６０Ｈｚないし５０Ｈｚの商用周波数電力に変換して電力Ｅを供給できるようにしている。かかる電力Ｅは、図示省略の電力ケーブルにより、例えば自然冷媒ヒートポンプシステムが敷設された事業所や家庭の各種電気施設へ送電される。なおこの電力Ｅを、前記コンプレッサー１２を駆動する電動機１３の動作電源の一部として用いれば、自然冷媒ヒートポンプシステムのＣＯＰをより向上させることができ、システムの経済化を向上できるので好ましい。
【００４０】
なお、図示は省略しているが、自然冷媒を膨張タービン１５に導入するに際し、冷媒液分離器により自然冷媒中の液体分を分離しておくことが望ましい。すなわち、第１の熱交換器１４を経由すると自然冷媒としてのＣＯ２自身は常温近くまで冷却されることになり、凝縮が起きてその一部が液体ＣＯ２となる場合があるが、このように液体成分を含有したままで膨張タービン１５へＣＯ２を導入すると、膨張タービン１５のタービン翼（タービンインペラ）が損傷してしまう危惧があることから、前記冷媒液分離器によって液体成分を除去することが望ましい。
【００４１】
第２の熱交換器１０は、自然冷媒が保有している冷熱を回収させる冷熱用熱交換器１６と、自然冷媒と大気との熱交換を行わせる昇温用熱交換器１１とからなる。前記冷熱用熱交換器１６は、膨張タービン１５内で断熱膨張して排出され、その殆どが液化し、水の氷点以下の低温となっている自然冷媒（ＣＯ２）から低温エネルギーを抽出する役目を果たす。このような冷熱用熱交換器１６としては、例えば各種の多管円筒型熱交換器（シェル・アンド・チューブ型熱交換器）を用いることができる。
【００４２】
昇温用熱交換器１１は、大気中の熱を取り込んでＣＯ２を気化させるためのものであり、前記冷熱用熱交換器１６にてほぼ気化されたＣＯ２に大気中の熱を与えて常温まで昇温させる役目を果たす。このような昇温用熱交換器１１としては、例えば自然冷媒を流通可能とした伝熱管を蛇行させ、この蛇行伝熱管に熱交換フィンを多数枚取り付けたプレート式熱交換器を用いることができる。
【００４３】
一方貯湯ユニット２は、貯湯槽２１及び第１乃至第３の配管路２２、２３、２４を備えている。貯湯槽２１は給湯すべき温水を貯留するためのものであり、家庭用の場合は１００〜５００リットル程度の容積を備えるタンクが用いられる。第１の配管路２２は貯湯槽２１の底部を起点とし、前記第１の熱交換器１４内を経由し、貯湯槽２１の上層部へ至る閉管路を構成している。すなわち、貯湯槽２１底部から吐出される冷水を第１の熱交換器１４へ導いて熱交換させ、温水化した後に貯湯槽２１の上層部へ還流させる閉管路である。第２の配管路２３は、貯湯槽２１の上層部にその一端が配置され、第１の熱交換器１４を経て加温された温水を各種の給湯設備（図示省略）へ給湯するための管路である。また第３の配管路２４は、貯湯槽２１の底部にその一端が配置され、給湯設備への給湯により不足した水を貯湯槽２１へ補給すべく、上水道設備（図示省略）と連結する管路である。
【００４４】
冷熱回収機構３は、この実施形態では、冷熱を蓄熱することが可能な冷熱蓄熱槽１７と、該冷熱蓄熱槽１７と前記冷熱用熱交換器１６との間を循環する配管路であって、冷熱用熱交換器１６で回収された低温エネルギーを冷熱蓄熱槽１７へ伝熱する中間冷媒Ｍが封入された伝熱配管路１６１と、前記冷熱蓄熱槽１７に蓄熱された冷熱を冷熱源とする冷房機１８等からなる。
【００４５】
冷熱蓄熱槽１７は、例えば予め冷熱を蓄熱し必要時に放冷する作用をなす潜熱蓄冷材（例えば、水、無機塩、無機水和塩などを蓄冷媒体とするもの）が、所定量槽内に備えられたものを用いることができ、具体的には氷蓄熱槽等が好適に用いられる。
【００４６】
伝熱配管路１６１は、一端側が冷熱用熱交換器１６内へ導入されて自然冷媒と熱交換可能に配管され、他端側が前記冷熱蓄熱槽１７内へ導入されて槽内の熱交換部１７１において、前記蓄冷材等と熱交換可能に配管された循環配管路である。該伝熱配管路１６１の循環路の中間部には冷媒循環ポンプ１６２が設けられており、伝熱配管路１６１内に封入されている中間冷媒Ｍが冷熱用熱交換器１６側から冷熱蓄熱槽１７へ向けて循環されるよう構成されている。
【００４７】
冷房機１８は、被冷房室内空間に向けて送風する送風ファンと、該送風ファンによる送気路中に配置される冷媒管とを備える。そして前記冷媒管には、冷熱蓄熱槽１７を経由する冷媒配管路１８１が接続されており、冷熱蓄熱槽１７内の蓄冷材（氷）から与えられた冷熱エネルギーが、冷媒配管路１８１内に循環可能に封入されている冷媒Ｃにより冷房機１８内へ導かれ、該冷熱エネルギーにより冷房風が生成されるようになっている。このように冷熱蓄熱槽１７を備えた冷熱回収機構３としておくことで、安価な深夜電力を利用して自然冷媒ヒートポンプユニット１の運転、すなわちコンプレッサー１２を駆動する電動機１３の運転を行い、深夜のうちに温水を生成して貯湯槽２１に溜めておくと共に、冷熱エネルギーを生成して冷熱蓄熱槽１７に蓄熱し、昼間等に前記温水や、前記冷熱エネルギーを用いた冷房機１８による冷房風を活用するという経済的なシステムとすることができる。なお、冷房機１８の態様は任意であり、送風ファン等を備えない自然対流式のものであっても良い。
【００４８】
以上の通り構成された自然冷媒ヒートポンプシステムの動作を、自然冷媒であるＣＯ２のヒートポンプユニット１内における相変位に関連づけて説明する。先ずヒートポンプユニット１の循環管路１０１内に封入されているＣＯ２は、昇温用熱交換器１１において熱交換作用を受けて常温の気体Ｐ１とされ、コンプレッサー１２へ送られる。そして電動機１３で駆動されているコンプレッサー１２においてＣＯ２は、１０〜２０ＭＰａ程度に圧縮され、約１３０℃の高温に加熱されて超臨界状態の流体Ｐ２となる。
【００４９】
次いでこの超臨界流体Ｐ２となったＣＯ２は、第１の熱交換器１４へ送られる。第１の熱交換器１４でＣＯ２は、貯湯ユニット２の配管路２２を介して貯湯槽２１から循環されて来る水Ｗ２と熱交換して約６０〜９０℃程度まで昇温させ、温水Ｗ１を生成する。一方、熱を受け渡したＣＯ２自身は常温近くまで冷却される。しかし、この時点でＣＯ２はまだ高圧の超臨界状態であり、低温高圧の流体Ｐ３となる。そして熱交換による凝縮により、その一部が液体ＣＯ２化する場合がある。而して前記液体ＣＯ２は図示省略の冷媒液分離機にて分離され、低温高圧流体Ｐ３の状態であるＣＯ２は、その気体成分のみが膨張タービン１５へ導入されることとなる。
【００５０】
膨張タービン１５内で低温高圧流体Ｐ３の状態であるＣＯ２は断熱膨張され、低温の液体Ｐ４となる（実際は、大部分が液体ＣＯ２で、一部が気体ＣＯ２である二相流体となる）。この断熱膨張時のエネルギーにより、膨張タービン１５が備えるロータが超高速回転され、この回転力が回転軸１５１を介して発電機１５２の回転子へ伝達され、発電機１５２では高周波電力の発電が行われる。そして該高周波電力はインバータ１５３で商用周波数電力に変換され、この回収電力は各種電気施設に対する給電用に用いられる。例えば、コンプレッサー１２を駆動させる電動機１３へ商用電力を供給する給電ケーブル１３１にインバータ１５３の出力を接続し、回収電力を電動機１３の動作電源の一部として活用する構成とすることが好ましい。
【００５１】
膨張タービン１５から排出された液体ＣＯ２は、水の氷点以下の低温となっている。このような低温エネルギーを内包した状態で、液体ＣＯ２は第２の熱交換器１０の冷熱用熱交換器１６へ向けて送られる。なお、前記冷媒液分離機内に滞留している液体ＣＯ２も、図示省略の配管路にて、冷熱用熱交換器１６へ向けて送られる。
【００５２】
冷熱用熱交換器１６において、液体ＣＯ２が保有している低温エネルギーは、冷熱回収機構３の伝熱配管路１６１に封入されている中間冷媒Ｍに与えられる。具体的には、冷熱用熱交換器１６にて循環管路１０１と伝熱配管路１６１とが互いに熱交換可能に配置されており、前記伝熱配管路１６１内の中間冷媒Ｍを冷媒循環ポンプ１６２にて強制循環させつつ、順次膨張タービン１５から冷熱用熱交換器１６に送られて来る低温の液体ＣＯ２と熱交換させる。これにより、前記中間冷媒Ｍに授受された低温エネルギーが冷熱蓄熱槽１７へ伝熱されると共に、当該熱交換により冷熱を奪われた液体ＣＯ２は気化し、次段の昇温用熱交換器１１へ導入される。
【００５３】
昇温用熱交換器１１への導入時、ＣＯ２は気化されているものの、常温に比べるとかなり低い温度となっている。しかるに、昇温用熱交換器１１において大気との熱交換が行われ、ＣＯ２は常温まで昇温され、常温気体Ｐ１となってコンプレッサー１２へ再び送られる。以上のようなサイクルが、このヒートポンプユニット１内で繰り返されるものである。
【００５４】
一方、前記中間冷媒Ｍにより伝熱された低温エネルギーは、冷熱蓄熱槽１７内で蓄熱（蓄冷）される。具体的には、冷熱蓄熱槽１７として氷蓄熱槽を使用した場合は、中間冷媒Ｍが保有する低温エネルギーがその熱交換部１７１にて蓄冷材としての水に与えられ、製氷が行われることになる。そして、低温エネルギーが冷房機１８にて必要となる時間帯まで、当該低温エネルギーは蓄冷される。
【００５５】
冷房機１８が運転されると、冷熱蓄熱槽１７を経由するよう配管されている冷媒配管路１８１内を冷媒Ｃが循環する。冷媒Ｃは冷熱蓄熱槽１７内において蓄冷材から冷熱エネルギーを与えられ、これを冷房機１８まで伝熱する。これにより、冷熱蓄熱槽１７を冷熱源として、冷房機１８による冷房動作が行われることとなる。
【００５６】
さらに貯湯ユニット２側においては、第１の熱交換器１４で昇温された約９０℃の温水Ｗ１は、配管路２２を介して貯湯槽２１の上層部に送られる。このような高温の温水Ｗ１が投入されることで、貯湯槽２１内の上層部は約９０℃の高温水、下層部は常温に近い混合層を形成することとなる。この貯湯槽２１の上層部から必要に応じて、配管路２３を介して給湯や風呂用の温水Ｗ３が供給される。また、給湯に使用した水量に相当する分の水Ｗ０が、配管路２４を介して給水される。以上のようなサイクルが、貯湯ユニット２１内で繰り返されるものである。
【００５７】
図１０は、本実施形態のように膨張タービン１５を使用して、ＣＯ２自然冷媒を１０ＭＰａまで膨張させた場合の、自然冷媒ヒートポンプのＰ−Ｉ線図を表している。なお、本実施形態にかかる線図は、（ａ´）−（ｂ）−（ｃ）−（ｄ´）のルートを辿る一点鎖線で示されたものが該当し、（ａ）−（ｂ）−（ｃ）−（ｄ）のルートを辿る実線で示された線図は、比較のため先に説明した図９（ロ）のＰ−Ｉ線図を重畳したものである。この実施形態によれば、熱交換器出口の（ｃ）点（図９（イ）に略記しているヒートポンプシステム図参照）のＣＯ２ガスは膨張タービン１５により仕事をしながら断熱膨張するために、膨張弁を使用する場合よりも断熱膨張後の圧力・温度共に低下することから、ここでは（ｄ´）で１ＭＰａ／−４０℃になるものと仮定する。その後、蒸発器（熱交換器）から熱の供給を受けて（ａ´）に移行し、さらにコンプレッサーにより断熱加圧されて（ｂ）点へ至る。このように膨張タービン方式では、（ｃ）点と（ｄ´）点間のエンタルピー差を利用し、タービンを駆動して発電できると共に、（ｄ´）点の温度は膨張弁を利用した場合（ｄ）点よりも低い温度となり、利用可能な冷熱量は大幅に増加する。反面、ＣＯ２自然冷媒圧力が低下するので、コンプレッサー動力が若干増加する面もある。
【００５８】
膨張タービン１５出口の温度と圧力は、膨張タービン１５の性能により選定が可能である。例えば、膨張弁を用いた場合と同様に２ＭＰａまで低下するような膨張タービンを使用すると、膨張タービン出口のＣＯ２自然冷媒温度は（ｄ“）点の約−２０〜−３０℃の温度となり、その後水平に（ａ）点に移行する。しかる後に、（ａ）点から（ｂ）点へコンプレッサーで加圧するために、コンプレッサー動力は膨張弁使用時と変わらない。このように、膨張弁方式の場合に比べてコンプレッサー動力を変えることなく、より低温の冷熱を得ることが可能となる。
【００５９】
以上の通り構成された自然冷媒ヒートポンプシステムにあっては、ＣＯ２の気化を行わせる第２の熱交換器１０の冷熱用熱交換器１６において、冷熱回収機構３によりＣＯ２から低温（冷熱）エネルギーを回収させるので、エネルギーの有効活用を図ることができ、例えば第１の熱交換器１４で温熱を給湯用途等に供給し、冷熱回収機構３により回収した冷熱を冷房用途等に活用することで、夏季において冷熱と温熱の双方を供給できる経済的な自然冷媒ヒートポンプシステムを構築することができる。しかも、冷熱蓄熱槽１７を用いることで、回収した低温エネルギーを一時的に蓄冷できるシステムであるので、安価な深夜電力を用いて自然冷媒ヒートポンプユニット１を駆動させ、生成された低温エネルギーを冷房が必要な時間帯まで留保しておくことが可能となり、より経済的な自然冷媒ヒートポンプシステムとすることができる。
【００６０】
（第２実施形態）
図２は、本発明にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの他の構成例を示すブロック図である。このシステムも基本構成として、ヒートポンプユニット１、貯湯ユニット２及び冷熱回収機構３を備えている点で上述の第１実施形態と同一であるが、冷熱と温水を使用する夏季・中間期と、冷熱を使用せずに専ら温水のみを使用する冬季とで、自然冷媒の膨張機構を切り替えることが可能な自然冷媒ヒートポンプシステムを示している。第１実施形態（図１）と構成上相違する点は、自然冷媒を断熱膨張させ得る膨張弁４を追加的に設置し、自然冷媒の循環管路１０１を、第１の熱交換器１４の出口側において２つに分岐して、自然冷媒を、膨張タービン１５を経由する第１の流通系統、若しくは前記膨張弁４を経由する第２の流通系統のいずれかを選択的に流通させることができるようにした点である。以下、かかる相違点を中心に本実施形態を説明し、第１実施形態と重複する点については説明を簡略化乃至は省略する。
【００６１】
自然冷媒の循環管路１０１は、第１の熱交換器１４の出口側において、第１の流通管路（第１の流通系統）１０２と、第２の流通管路（第２の流通系統）１０３との２つに分岐されている。第１の流通管路１０２は膨張タービン１５に接続されており、前記分岐部から膨張タービン１５に至る管路途中には、自然冷媒の管内の通過又は閉止を選択させる弁４２が配置されている。また第２の流通管路１０３は膨張弁４の入口側に接続されており、前記分岐部から膨張弁４に至る管路途中には、同様に自然冷媒の管内の通過又は閉止を選択させる弁４１が配置されている。すなわち、弁４１、４２のいずれか一方を「開」とし、他方を「閉」とすることで、自然冷媒の流通系統が、第１の流通管路１０２若しくは第２の流通管路１０３のいずれかに切り替えられるよう構成されている。
【００６２】
膨張弁４としては、従来公知の冷媒膨張用の各種膨張弁を用いることができ、例えば冷媒を断熱膨張させるために、高圧側冷媒流路と低圧側冷媒流路との間の連通部に絞り部（弁部）を設けた膨張弁を用いることができる。このような膨張弁４は、冷媒が前記絞り部を高速で流れることにより乱流、騒音、振動が発生して圧力エネルギーが熱に変化されることから、膨張後の冷媒温度は比較的高温になるという特質を有している。従って、このような膨張弁４を用いて本発明で用いる自然冷媒（ＣＯ２）を断熱膨張させると、その断熱膨張後のＣＯ２温度は−３℃〜７℃となり、膨張タービン１５にて断熱膨張させた場合に比べて比較的高温となる。
【００６３】
なお第２の流通管路１０３は、膨張弁４の出口側から第２の熱交換器１０の昇温用熱交換器１１へ至る経路で配管されている。すなわち、第２の流通管路１０３が自然冷媒の流通路として選択された場合、自然冷媒は冷熱用熱交換器１６を経由せずに、昇温用熱交換器１１へ至ることとなる。
【００６４】
以上の通り構成された自然冷媒ヒートポンプシステムの動作について説明する。まず、冷熱と温水の双方を使用する夏季・中間期においては、弁４１を閉止すると共に弁４２を開として、自然冷媒が第１の流通管路１０２内を流通可能なようにする。これにより、第１の熱交換器１４を経由した超臨界状態の高圧ＣＯ２は、膨張タービン１５へ流入することとなり、上述の第１実施形態と同様な動作を為す。
【００６５】
一方、冷熱は使用せず温水のみを専ら使用する冬季等においては、弁４２を閉止すると共に弁４１を開として、自然冷媒が第２の流通管路１０３内を流通可能なようにする。これにより、第１の熱交換器１４を経由した超臨界状態の高圧ＣＯ２は、膨張弁４へ流入することとなり、該膨張弁４にて高圧ＣＯ２は断熱膨張され、昇温用熱交換器１１へ向けて送られる。
【００６６】
上記のように、冬季等において膨張弁４にて高圧ＣＯ２を断熱膨張させ、この断熱膨張後のＣＯ２を、冷熱用熱交換器１６を経由させることなく昇温用熱交換器１１へ流入させるのは以下の（１）〜（３）の理由による。
（１）冬季等においては、一般的に冷熱エネルギーのニーズがなく、冷熱用熱交換器１６に対し、膨張タービン１５を経由することで水の氷点以下の低温エネルギーを保有しているＣＯ２を供給しても、該ＣＯ２から中間冷媒Ｍへの気化熱供給（熱交換）は実質的に行われない。
（２）その結果、昇温用熱交換器１１にてＣＯ２を気化・昇温せざるを得ないが、昇温用熱交換器１１は大気と熱交換させる方式を採用しているので、冬季は外気温度が低いことからＣＯ２を十分気化できない場合が想定される。すなわち、例えば昇温用熱交換器１１として伝熱管と放熱フィンとからなる熱交換器を用いた場合、外気温度が低いことに起因して、前記伝熱管表面で空気中の水分が凝結し、この凝結により生じた氷層が昇温用熱交換器１１の伝熱性能を低下させて、ＣＯ２を気化させることができないという現象が生じ得る。
（３）一方、膨張弁４を用いてＣＯ２を断熱膨張させた場合、前述の通り断熱膨張後のＣＯ２温度は−３℃〜７℃となり、膨張タービン１５にて断熱膨張させた場合に比べて比較的高温化してＣＯ２を第２の熱交換器１０（昇温用熱交換器１１）へ送ることが可能となる。つまり、外気温度が低くても、既にＣＯ２が相当高温化された状態で昇温用熱交換器１１に流入されることから、上述の水分凝結が生じることなく、昇温用熱交換器１１単体でもＣＯ２を気化・昇温させることができる。
【００６７】
以上のような理由に鑑みて、第１の熱交換器１４を経て低温高圧化したＣＯ２を、夏季等においては第１の流通管路１０２を経て膨張タービン１５及び冷熱用熱交換器１６を順次経由して昇温用熱交換器１１へ至らせるようにし、一方冬季等においては第２の流通管路１０３を経て膨張弁４を経由して昇温用熱交換器１１へ至るパイパス経路を取るよう、自然冷媒の流通経路切り替え機構としての弁４１、４２が適宜操作される。このような流通経路切り替え機構を具備させる本実施形態によれば、冬季等の冷熱用熱交換器１６にて冷熱を回収しない場合においても、昇温用熱交換器１１においてＣＯ２を確実に気化・昇温でき、ＣＯ２の循環性を確保できるので、システムの信頼性を向上させることができるという利点がある。
【００６８】
なお、コンプレッサー１２として、ガスエンジン方式等の排熱を発生する方式の機器を用いる場合は、冬季等にその排熱を昇温用熱交換器１１、あるいは冷熱用熱交換器１６に供給し、これら熱交換器に強制的に熱を与える構成としても良い。この場合、冷熱需要がなくとも、前記排熱によりＣＯ２を気化させることが可能となるため、上記実施形態のように膨張弁４を並置せずとも、年間を通して膨張タービン１５の運転により、システムの動作を確保できるようになる。
【００６９】
（第３実施形態）
図３は、家庭や小規模業務用途に適した、小型の自然冷媒ヒートポンプシステムの構成例を示すブロック図である。基本構成は、上述の第１、第２実施形態と同様であるが、冷熱回収機構３（冷熱蓄熱槽１７）に接続する冷房機器が、室外機１９２を備えた家庭用エアーコンデショナー（以下、エアコンという）１９である点で相違する。なお、図３に示すように、本実施形態は前述の第２実施形態と同様に膨張機構として膨張タービン１５と膨張弁４とを選択可能にしたシステムを例示しているが、第１の実施形態のように膨張タービン１５のみを備えているシステムであっても勿論良い。
【００７０】
この実施形態では、冷熱蓄熱槽１７を経由する冷媒配管路１８１がエアコン１９の冷媒管に接続され、エアコン用冷媒Ｃが冷熱蓄熱槽１７で冷却される循環経路を取るよう構成されている。前記冷媒配管路１８１には分岐配管１９１が並列的に取り付けられており、この分岐配管１９１はエアコンの室外機１９２を経由するよう配管されている。すなわち、エアコン１９の冷媒管に対し、冷熱蓄熱槽１７を経由する冷媒配管路１８１と、室外機１９２を経由する分岐配管１９１とが並列的に接続されている。
【００７１】
このような自然冷媒ヒートポンプシステムの動作について説明する。冷熱用熱交換器１６で得られた低温エネルギーを、中間冷媒Ｍを介して冷熱蓄熱槽１７に蓄冷するところまでは、前述の第１、第２実施形態と同様であるので説明を省略する。エアコン１９が運転されると、冷熱蓄熱槽１７を経由するよう配管されている冷媒配管路１８１内をエアコン用冷媒Ｃが循環する。冷媒Ｃは冷熱蓄熱槽１７内において冷熱エネルギーを与えられ、これをエアコン１９まで伝熱し、これによりエアコン１９による冷房動作が行われることとなる。
【００７２】
そして家庭用等の小型システムでは冷熱蓄熱槽１７の冷熱容量が不足することも考えられるため、冷熱容量不足時にはエアコンの室外機１９２を動作させて冷媒Ｃの冷却を行わせ、分岐管１９１側から冷却された冷媒Ｃを供給させるようにする。このように冷媒Ｃの流通経路を選択的に切り替えるために、空調温度等と連動して開閉の自動制御がなされる弁機構を、冷媒配管路１８１及び分岐管１９１に設けることが望ましい。或いは、冷熱蓄熱槽１７と室外機１９２とで常時並列的に冷媒Ｃを冷却させるようにしても良い。
【００７３】
また、エアコンの室外機１９２を図３に示すように並列的に組入れるのではなく、冷熱蓄熱槽１７を経由する冷媒配管路１８１の途中に室外機１９２を直列的に配置して、室外機１９２にて冷媒Ｃの第１次的な冷却を行い、冷熱蓄熱槽１７で第２次的な冷却を行わせるようにしても良い。
【００７４】
（第４実施形態）
図４は、同様に家庭や小規模業務用途に適した小型の自然冷媒ヒートポンプシステムの構成例を示すブロック図である。この実施形態は、第１実施形態と基本構成は同一であるが、冷熱蓄熱槽１７を用いず、つまり冷熱用熱交換器１６で抽出された低温エネルギーを蓄冷することなく、中間冷媒Ｍを冷熱源として冷房機１８を運転させる構成である。
【００７５】
すなわちこの実施形態では、冷熱回収機構３は、冷熱機器としての冷房機１８と、該冷房機１８と冷熱用熱交換器１６との間を循環する配管路であって、冷熱用熱交換器１６で回収された冷熱を前記冷房機１８へ伝熱する中間冷媒Ｍが封入された伝熱配管路１６３ととから構成されるシンプルなものとなる。そして、冷房機１８には、ポンプ１６４にて循環される低温エネルギーを保有した中間冷媒Ｍが伝熱配管路１６３を通して供給され、該中間冷媒Ｍを直接の冷熱源として冷房機１８は動作する。
【００７６】
このような自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、冷熱（冷房）が必要な時間帯に自然冷媒ヒートポンプユニット１を運転し、タイムリーに冷熱をユーザに供給するという、機動的な運用のシステムとすることができる。かかるシステムは、冷熱蓄熱槽１７を設置するスペースに乏しいような、家庭用の小型自然冷媒ヒートポンプシステムとして特に好適である。また一般家庭用途においては、冷熱蓄熱槽１７を特段設けて蓄冷せずとも、家庭の主たる冷房時間帯は大抵１７〜２３時頃までであって、この時間帯は給湯や風呂用の温水使用時間帯とも重なっているために、冷房用の冷熱を製造しながら、同じ時間帯に給湯や風呂用の湯を製造して供給できることが多く、この面からも好適な実施形態である。
【００７７】
図５は、上記第４実施形態の変形例にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。この変形実施形態は、昇温用熱交換器１１において熱交換された大気を、室外機付きエアコン１９の室外機１９２の吸気口へ導入させる冷熱回収機構をさらに具備させた態様である。具体的には、昇温用熱交換器１１の大気流出側に前記室外機１９２を対置させ、自然冷媒と熱交換後の大気が該室外機１９２の吸気口へ導入されるよう構成する（熱交換後の大気を吸気口へ誘導するダクト等を設けても良い）。
【００７８】
このシステムは、昇温用熱交換器１１において熱交換された大気は、大気温度に比べて数℃程度低くなっていることから、かかる大気（図５において「冷気」として表示）を室外機１９２の吸気として活用することで、エアコン１９の冷却効率を向上させることを狙いとするものである。
【００７９】
このシステムによれば、まず自然冷媒ヒートポンプユニット１が運転されると、冷熱用熱交換器１６で自然冷媒（ＣＯ２）から抽出された低温エネルギーが、中間冷媒Ｍを介して直接冷房機１８の冷熱源として活用される。この中間冷媒Ｍとの熱交換によりＣＯ２は気化するが、まだ常温よりはかなり低い温度で昇温用熱交換器１１へ導入される。そして昇温用熱交換器１１により大気と熱交換されてＣＯ２は常温まで昇温される一方、熱交換された大気は、前述の通り大気温度よりも数℃程度低い状態とされ、これが室外機１９２の吸気口へ導入される。室外機１９２の吸気温度が低くなった分、エアコン用冷媒Ｃの冷却効率は良くなり、冷媒管１９３を通して効率的に冷媒Ｃをエアコン１９へ送ることができるようになる。
【００８０】
図５にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、冷熱用熱交換器１６だけでなく、昇温用熱交換器１１から発せられる冷熱も、エアコン室外機１９２の吸気温度の低温化という態様で有効活用されることになり、より一層エネルギー利用率が高い経済的なシステムとすることができる。
【００８１】
（第５実施形態）
図６も、同様に家庭や小規模業務用途に適した小型の自然冷媒ヒートポンプシステムの構成例を示すブロック図であり、最も簡素なシステム構成例を示すものである。この実施形態では、第２の熱交換器１０を前述の昇温用熱交換器１１のみで構成した点に特徴がある。つまり、第２の熱交換器１０を、自然冷媒からの冷熱の回収機能及び大気との熱交換により自然冷媒を昇温させる昇温機能を兼ねる単一の熱交換器（昇温用熱交換器１１）で構成したものである。
【００８２】
この実施形態における冷熱回収機構３は、室外機１９２を備えたエアコン１９と、前記昇温用熱交換器１１において熱交換された大気を、室外機１９２の吸気口へ導入させる機構とからなり、上述の第４実施形態に比べてさらにシンプル化された構成である。
【００８３】
具体的には、第１の熱交換器１４の出力側に膨張弁若しくは膨張タービンからなる膨張機構１５０を設け、断熱膨張後の自然冷媒が昇温用熱交換器１１へ導入されるよう構成される。そして大気と熱交換する昇温用熱交換器１１の大気流出側にエアコン１９の室外機１９２を対置させ、ダクトを設ける等して自然冷媒と熱交換後の大気が該室外機１９２の吸気口へ導入されるよう構成する。
【００８４】
このシステムによれば、膨張機構１５０で断熱膨張された自然冷媒が昇温用熱交換器１１で気化・昇温される際に大気に与えられる冷熱が、室外機１９２の吸気として活用される。これにより、室外機１９２の吸気温度が低くなった分、エアコン用冷媒Ｃの冷却効率は良くなり、冷媒管１９３を通して効率的に冷媒Ｃをエアコン１９へ送ることができるようになる。エアコン１９の冷却効率を向上させることができるようになる。また一般家庭用途においては、冷熱蓄熱槽１７を特段設けて蓄冷せずとも、家庭の主たる冷房時間帯は大抵１７〜２３時頃までであって、この時間帯は給湯や風呂用の温水使用時間帯とも重なっているために、冷房用の冷熱を製造しながら、同じ時間帯に給湯や風呂用の湯を製造して供給できることが多く、この面からも好適な実施形態である。
【００８５】
（第６実施形態）
図７は、膨張タービンを複数段構成にした自然冷媒ヒートポンプシステムの構成例を示すブロック図である。すなわち、このシステムも基本構成として、ヒートポンプユニット１、貯湯ユニット２及び冷熱回収機構３を備えている点で上述の第１実施形態等と同一であるが、膨張機構としての膨張タービンを第１の膨張タービン１５ａと第２の膨張タービン１５ｂの２段構成とした点において相違する。以下、かかる相違点を中心に本実施形態を説明する。
【００８６】
本実施形態では、第１の熱交換器１４の出口側に第１の膨張タービン１５ａが配置され、さらに第１の膨張タービン１５ａの出口側に第２の膨張タービン１５ｂが配置されており、第１の熱交換器１４を経た自然冷媒（ＣＯ２）が第１の膨張タービン１５ａへ導入され、さらに第１の膨張タービン１５ａから排出されたＣＯ２が第２の膨張タービン１５ｂへ導入される構成とされている。そして第１の膨張タービン１５ａのロータには回転軸１５１ａを介して第１の発電機１５２ａが連結されており、また第２の膨張タービン１５ｂのロータには回転軸１５１ｂを介して第２の発電機１５２ｂが連結されている。
【００８７】
第１の発電機１５２ａ及び第２の発電機１５２ｂの出力側には、各発電機が発生する高周波電力を商用周波数電力へ周波数変換するインバータ１５３ａ、１５３ｂがそれぞれ接続されている。そして前記インバータ１５３ａ、１５３ｂから出力された電力Ｅ１、Ｅ２は、例えばコンプレッサー１２を駆動する電動機３の動作電源の一部として使用されるよう構成することができる。
【００８８】
さらに本実施形態では、第１の膨張タービン１５ａと第２の膨張タービン１５ｂとの間に、多管円筒型熱交換器等からなる中間熱交換器５を配置するようにしている。これにより、自然冷媒が前記第１の膨張タービン１５ａから排出されて第２の膨張タービン１５ｂに導入される間に、中間熱交換器５を経由することとなる。
【００８９】
この中間熱交換器５は、第１の膨張タービン１５ａのＣＯ２出口温度が大気温度よりもかなり低下している場合において、大気と熱交換してＣＯ２を常温まで再度昇温する役目を果たす。このような中間熱交換器５を設けることにより、第１の膨張タービン１５ａで膨張されて圧力が低下したＣＯ２を大気温度まで昇温させた上で、次段の第２の膨張タービン１５ｂにＣＯ２を導入できるので、第２の膨張タービン１５ｂへより高温状態でＣＯ２を導入でき、第２の膨張タービン１５ｂにおけるエネルギー回収性（この実施形態では第２の発電機１５２ｂの発電能力）を高めることができるようになる。
【００９０】
そしてこの実施形態では、前記中間熱交換器５からも冷熱を回収する構成とされている。すなわち、該実施形態における冷熱回収機構３は、冷熱蓄熱槽１７と、前記中間熱交換器５、第２の熱交換器１０の冷熱用熱交換器１６、及び冷熱蓄熱槽１７の間を循環する、中間冷媒Ｍが封入された伝熱配管路１５４を備えている。これにより、前記中間冷媒Ｍが、中間熱交換器５で第一段の冷却がなされた上で冷熱用熱交換器１６へ導入され、冷熱用熱交換器１６により第二段の冷却がなされた上で、前記冷熱蓄熱槽１７へ導かれるよう構成されている。そして冷熱蓄熱槽１７で蓄冷された冷熱エネルギーは、前述の第１〜第３実施形態と同様に冷房機１８やエアコン１９にて活用される。なお、前記冷熱蓄熱槽１７に代えて冷房機１８やエアコン１９を設置し、中間冷媒Ｍを直接冷房機１８やエアコン１９の冷熱源とする構成としても良い。
【００９１】
なお、図７には記載を省略しているが、伝熱配管路１５４に対し、冷熱蓄熱槽１７を出た中間冷媒Ｍの温度を大気温度にするための熱交換器を追加しても良い。これにより、中間熱交換器５でＣＯ２自然冷媒ガス温度を大気温度近くまで昇温させることができるようになる。
【００９２】
以上の通り構成された第６実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの動作を説明する。自然冷媒としてのＣＯ２は、コンプレッサー１２において超臨界状態とされ、第１の熱交換器１４へ送られ、貯湯ユニット２の配管路２２を介して貯湯槽２１から循環されて来る水Ｗ２と熱交換して低温高圧の流体Ｐ３となる。ここまでは第１実施形態と同様である。そして、低温高圧流体Ｐ３の状態であるＣＯ２は、第１の膨張タービン１５ａへ導入されることとなる。
【００９３】
第１の膨張タービン１５ａ内で低温高圧の状態であるＣＯ２は断熱膨張され、液体ＣＯ２となる（実際は大部分が液体ＣＯ２で、その一部が気体ＣＯ２である二相流体となる）。この断熱膨張時のエネルギーにより、第１の膨張タービン１５ａが備えるロータが超高速回転され、この回転力が回転軸１５１ａを介して第１の発電機１５２ａの回転子へ伝達され、第１の発電機１５２ａでは高周波電力の発電が行われる。そして該高周波電力は第１のインバータ１５３ａで商用周波数電力Ｅ１に変換される。
【００９４】
このような仕事を終え、圧力と温度が低下し液化したＣＯ２は中間熱交換器５へ送られる。この中間熱交換器５で、ＣＯ２と伝熱配管路１５４内に封入されている中間冷媒Ｍとが熱交換され、中間冷媒Ｍの第１段の冷却がなされる。この中間冷媒Ｍはポンプ１５５により伝熱配管路１５４内を循環され、中間熱交換器５で与えられた低温エネルギーを保有しつつ、冷熱用熱交換器１６、冷熱蓄熱槽１７へ至ることとなる。
【００９５】
一方、液体状態のＣＯ２は、中間熱交換器５で熱を与えられ気化された状態（低温高圧流体の状態）で第２の膨張タービン１５ｂへ導入される。ＣＯ２は、第２の膨張タービン１５ｂ内で断熱膨張され、再び液体ＣＯ２となる。この断熱膨張時のエネルギーにより、第２の膨張タービン１５ｂが備えるロータが超高速回転し、この回転力が回転軸１５１ｂを介して第２の発電機１５２ｂの回転子へ伝達され、第２の発電機１５２ｂでは高周波電力の発電が行われる。そして該高周波電力は第２のインバータ１５３ｂで商用周波数電力Ｅ２に変換される。
【００９６】
このような仕事を終え、液体となったＣＯ２は第２の熱交換器１０の冷熱用熱交換器１６へ向けて送られる。ここでＣＯ２と伝熱配管路１５４内に封入されている中間冷媒Ｍとが再び熱交換され、中間冷媒Ｍの第２段の冷却がなされる。このような二段階の冷却がなされた中間冷媒Ｍは冷熱蓄熱槽１７へ送られ、冷熱蓄熱槽１７内の蓄冷材に低温エネルギーを授受する。そしてポンプ１５５により、中間冷媒Ｍは中間熱交換器５に戻されるものである。
【００９７】
一方、冷熱用熱交換器１６で熱交換して気化されたＣＯ２は、昇温用熱交換器１１へ導入される。そして昇温用熱交換器１１において大気との熱交換が行われ、ＣＯ２は常温の気体となってコンプレッサー１２へ再び送られる。以上のようなサイクルが、このヒートポンプユニット１内で繰り返されるものである。なお、貯湯ユニット２における動作は、上述の第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００９８】
なお、上記実施形態では中間熱交換器５を用いて中間冷媒Ｍを二段階冷却する場合について例示したが、中間熱交換器５として蛇行伝熱管に熱交換フィンを多数枚取り付けたプレート式熱交換器を用い、大気と熱交換させるものとし、熱交換後の低温化された大気を前述の第４実施形態等のようにエアコンの室外機へ吸気させるように構成しても良い。
【００９９】
以上の通り構成された自然冷媒ヒートポンプシステムにあっては、膨張タービンを第１、第２の膨張タービン１５ａ、１５ｂからなる複数段構成とし、その間に配置された中間熱交換器５において熱交換時に生じる冷熱をも回収する構成であるので、中間熱交換器５にて圧力が低下した自然冷媒を大気温度まで昇温させ、次段の膨張タービン１５ｂにおけるエネルギー回収性をより高めることができる一方で、当該中間熱交換器５で発生する冷熱をも活用して自然冷媒を冷熱用熱交換器１６とで二段階的に冷却することから冷熱の取り出し性が良好となり、冷熱回収機構３の冷却能力を向上させることができるというメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第４実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。
【図５】上記第４実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの変形例にかかる構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第５実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第６実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。
【図８】従来の自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。
【図９】従来の家庭用自然冷媒ヒートポンプにおけるＴ−Ｓ線図（図イ）と、Ｐ−Ｉ線図（図ロ）である。
【図１０】本発明にかかる自然冷媒ヒートポンプにおけるＰ−Ｉ線図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１（１００）    ヒートポンプユニット
１０１      自然冷媒の循環管路
１０２      第１の流通管路
１０３      第２の流通管路
１０        第２の熱交換器
１１（１０１）  昇温用熱交換器（蒸発器）
１２（１０２）  コンプレッサー（ＣＯ２圧縮機）
１３（１０３）  電動機
１４（１０４）  第１の熱交換器
（１０５）      膨張弁
１５、１５ａ、１５ｂ    膨張タービン
１５１、１５１ａ、１５１ｂ    回転軸
１５２、１５２ａ、１５２ｂ    発電機
１５３、１５３ａ、１５３ｂ    インバータ
１６      冷熱用熱交換器
１６１、１６３    伝熱用配管路
１５５、１６２、１６４    ポンプ
１７      冷熱蓄熱槽
１７１    冷熱蓄熱槽内の熱交換部
１８      冷房機
１８１    冷媒配管路
１９      エアコン
１９１    分岐配管路
１９２    室外機
２（２００）    貯湯ユニット
２１（２０１）  貯湯槽
２２、２３、２４    第１〜第３の配管路
３      冷熱回収機構
４      膨張弁
４１、４２    弁
５      中間熱交換器
【図１】
2005257127.tif 000003
【図２】
2005257127.tif 000004
【図３】
2005257127.tif 000005
【図４】
2005257127.tif 000006
【図５】
2005257127.tif 000007
【図６】
2005257127.tif 000008
【図７】
2005257127.tif 000009
【図８】
2005257127.tif 000010
【図９】
2005257127.tif 000011
【図１０】
2005257127.tif 000012