| 【発明の名称】 |
ヒートポンプ |
| 【発明者】 |
【氏名】石井 徹哉
|
| 【要約】 |
【課題】冷媒の臨界温度が低くても成績係数を向上させることができるヒートポンプを提供する。
【解決手段】ヒートポンプ１０の冷媒回路２０には、３つの凝縮器２６〜２８が直列に設けられている。流通路３０には、これら凝縮器２６〜２８と熱交換を行う第１〜第３加温部３１〜３３が設けられている。流通路３０には、水（流体）を中間の第３加温部３３の下流端から上流端に戻す還流路３６が設けられている。還流路３６には、授熱部３６が設けられている。この授熱部３６から、冷媒回路２０の蒸発器２４と圧縮機２１との間に設けられた採熱部２５に熱が渡される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を順次環状に接続してなる冷媒回路を備え、この冷媒回路を循環する冷媒が、上記蒸発器で採熱し、上記凝縮器で放熱するヒートポンプにおいて、上記蒸発器と圧縮機との間の冷媒回路に、上記凝縮器の中途部からの放熱を採取する採熱部を設けたことを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】 上記凝縮器の中途部より膨張弁側と熱交換する第１加温部と、上記凝縮器の中途部より圧縮機側と熱交換する第２加温部とを有し、加温されるべき流体が、上記凝縮器の冷媒と向流するようにして上記第１加温部、上記第２加温部の順に流れる流通路を備えた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】 上記流通路の第１、第２加温部の間に、上記凝縮器の中途部から熱を受け取るとともに上記採熱部に熱を渡す熱中継部が設けられており、これにより、上記採熱部による上記採熱がなされることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ。
【請求項４】 上記熱中継部が、上記凝縮器の中途部と熱交換する第３加温部と、この第３加温部から出て上記第２加温部に向かう流体の一部を上記第１加温部と第３加温部との間の流通路に戻す還流路と、この還流路に介在され、上記採熱部と熱交換する授熱部とを有していることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ。
【請求項５】 上記第１加温部の出口温度を検出する温度検出手段と、上記授熱部の出口温度を検出する他の温度検出手段と、これら２つの温度検出手段による検出温度の差がゼロになるように上記還流路の流量を調節する流量調節手段とを備えたことを特徴とする請求項４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、ヒートポンプに関し、特に、臨界温度が低い（例えば９０℃以下の）冷媒に適したヒートポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】ヒートポンプは、冷媒を、圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器の順に循環させる冷媒回路を有している。冷媒は、蒸発器を通過する過程で採熱し、凝縮器を通過する過程で放熱する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】近年、ヒートポンプの冷媒として、オゾン層を破壊することがない物質を採用することが望まれている。そのような物質の代表的なものに、Ｒ４１０Ａ（ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンを５０ｗｔ％ずつ混合したもの）や二酸化炭素が挙げられる。これらの臨界温度は、Ｒ４１０Ａが約７５℃、二酸化炭素が約３０℃であり、比較的低温である。そのため、成績係数が十分でない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであり、その第１の特徴は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を順次環状に接続してなる冷媒回路を備え、この冷媒回路を循環する冷媒が、上記蒸発器で採熱し、上記凝縮器で放熱するヒートポンプにおいて、上記蒸発器と圧縮機との間の冷媒回路に、上記凝縮器の中途部からの放熱を採取する採熱部を設けたことにある。
【０００５】本発明の第２の特徴は、上記第１の特徴において、上記凝縮器の中途部より膨張弁側と熱交換する第１加温部と、上記凝縮器の中途部より圧縮機側と熱交換する第２加温部とを有し、加温されるべき流体が、上記凝縮器の冷媒と向流するようにして上記第１加温部、上記第２加温部の順に流れる流通路を備えたことにある。
【０００６】本発明の第３の特徴は、上記第２の特徴において、上記流通路の第１、第２加温部の間に、上記凝縮器の中途部から熱を受け取るとともに上記採熱部に熱を渡す熱中継部が設けられており、これにより、上記採熱部による上記採熱がなされることにある。
【０００７】本発明の第４の特徴は、上記第３の特徴において、上記熱中継部が、上記凝縮器の中途部と熱交換する第３加温部と、この第３加温部から出て上記第２加温部に向かう流体の一部を上記第１加温部と第３加温部との間の流通路に戻す還流路と、この還流路に介在され、上記採熱部と熱交換する授熱部とを有していることにある。
【０００８】本発明の第５の特徴は、上記第４の特徴において、上記第１加温部の出口温度を検出する温度検出手段と、上記授熱部の出口温度を検出する他の温度検出手段と、これら２つの温度検出手段による検出温度の差がゼロになるように上記還流路の流量を調節する流量調節手段とを備えたことにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ１０を示したものである。ヒートポンプ１０は、冷媒回路２０と給湯用の水（流体）の流通路３０とを備えている。流通路３０の両端は、ヒートポンプ１０から延び出て、上流端は貯湯タンク（図示せず）の下側部に連なり、下流端は上記貯湯タンクの上側部に連なっている。ヒートポンプ１０は、貯湯タンクの下側部から送られて来た水を冷媒回路２０で熱湯にし、貯湯タンクの上側部に戻す。
【００１０】さらに詳述する。冷媒回路２０には、圧縮機２１、凝縮器２２、膨張弁２３、及び蒸発器２４が順次設けられている。冷媒回路２０を循環する冷媒には、オゾン層を破壊するおそれのない物質として二酸化炭素が用いられている。冷媒は、圧縮機２１によって断熱圧縮されて凝縮器２２へ送り出される。そして、凝縮器２２を通過する過程で放熱する。その後、膨張弁２３で断熱膨張される。そして、蒸発器２４を通過する過程で気化し、外気から採熱する。
【００１１】蒸発器２４の下流側であって、蒸発器２４と圧縮機２１との間の冷媒回路２０には、伝熱管からなる採熱部２５が設けられている。
【００１２】上記凝縮器２２は、直列に並んだ３つの凝縮器２６〜２８に分かれている。
【００１３】一方、流通路３０には、伝熱管からなる３つの加温部３１〜３３が直列に並んで設けられている。第１加温部３１は、凝縮器２８（凝縮器２２の中途部より膨張弁２３側）と共に第１熱交換器１１を構成している。第２加温部３２は、流通路３０において第１加温部３１より下流に配され、凝縮器２６（凝縮器２２の中途部より圧縮機２１側）と共に第２熱交換器１２を構成している。第３加温部３３は、第１、第２加温部３１，３２の間に配され、凝縮器２７（凝縮器２２の中途部）と共に第３熱交換器１３を構成している。
【００１４】流通路３０には、還流路３４が設けられている。還流路３４の上流端は、第３、第２加温部３３，３２の間に接続され、下流端は、第１、第３加温部３１，３３の間に接続されている。還流路３４には、ポンプ３５と、伝熱管からなる授熱部３６とが設けられている。授熱部３６は、上記冷媒回路２０の採熱部２５と共に第４熱交換器１４を構成している。
【００１５】第１〜第４熱交換器１１〜１４は、何れも向流型の熱交換器である。すなわち、凝縮器２２での冷媒と第１〜第３加温部３１〜３３での水は、互いに向流するようになっている。また、採熱部２５での冷媒と授熱部３６での水も、互いに向流するようになっている。
【００１６】第３加温部３３と還流路３４と授熱部３６とにより、特許請求の範囲の「熱中継部」が構成されている。
【００１７】第１加温部３１と還流路３４の下流端との間の流通路３０には、水温センサ３７（温度検出手段）が設けられている。授熱部３６より下流の還流路３４には、他の水温センサ３８（他の温度検出手段）が設けられている。これら２つの水温センサ３８による検出水温に基づき、図示しないコントローラがポンプ３５を制御するようになっている。コントローラ及びポンプ３５により、特許請求の範囲の「流量調節手段」が構成されている。
【００１８】上記のように構成されたヒートポンプ１０の作用を、図１〜図３を参照して説明する。なお、図２は、冷媒回路２０を循環する冷媒についてエンタルピーと温度の変化の様子を示したものである。図３は、熱交換器１１〜１３の長手方向の位置に対する冷媒と水の温度変化の様子を示したものである。
【００１９】ヒートポンプ１０の冷媒（二酸化炭素）は、臨界温度が低い（約３０℃）ので、超臨界状態で凝縮器２６に入り、さらに凝縮器２７、凝縮器２８の順に流れる。この過程で、第２加温部３２、第３加温部３３、及び第１加温部３１の水と順次熱交換を行い、温度を下げながら凝縮する（図２及び図３の点Ａ〜点Ｄ）。その後、膨張弁２３を経て（図２の点Ｄ〜点Ｅ）、蒸発器２４で気化された後（図２の点Ｅ〜点Ｆ）、採熱部２５に送られる。
【００２０】一方、水は、第１加温部３１、第３加温部３３、及び第２加温部３２の順に流れる。この過程で、上記冷媒との熱交換により温度上昇する（図３の破線）。ここで、第３加温部３３から出た水の一部は、還流路３４に流入する。この水は、既に第１加温部３１及び第３加温部３３を経て来ており、ある程度の高温（温水）になっている。この温水が授熱部３６を通過する過程で上記採熱部２５の冷媒に熱を与える。
【００２１】これによって、冷媒は、採熱部２５で温度を高められたうえで（図２の点Ｆ〜点Ｇ）、圧縮機２１に送られる。したがって、圧縮機２１の仕事量が小さくても冷媒を十分に高温にすることができ（図２の点Ｇ〜点Ａ）、ヒートポンプ１０の成績係数を向上させることができる。これによって、凝縮器２２において超臨界状態になっていても水に十分な熱を与えることができ、第２加温部３２からの出湯温度ｔ０（図３）を十分に高くすることができる。
【００２２】上記還流路３４の授熱部３６を通った後の水は、第１加温部３１と第３加温部３３との間の流通路３０に戻される。これによって、第３加温部３３での水温の上昇勾配（図３の点Ｐ〜点Ｑ）が、第１、第２加温部３１，３２でのものと比べて緩やかになる。一方、冷媒については、中間の凝縮器２７での温度の低下勾配（図３の点Ｂ〜点Ｃ）が、両端の凝縮器２６，２８でのものと比べて緩やかになる傾向がある。したがって、図３において水の温度変化を示す破線を、冷媒の温度変化を示す実線に対して大略並行するような折れ線にすることができる。これによって、冷媒と水の温度差Δｔが、熱交換器１１〜１３の長手方向の位置によって大きく変動しないようにすることができる。（若しも、水を還流路３４で戻すことをしなければ、温度差Δｔが、中間の１点で極端に小さくなり、その１点から離れるにしたがって大きくなる。）これによって、向流型の熱交換器１１〜１３による熱交換効率を向上させることができる。
【００２３】上記温度センサ３７によって第１加温部３１の出口での水温ｔ31が検出される。また、温度センサ３８によって授熱部３６の出口での水温ｔ36が検出される。これら検出水温ｔ31，ｔ36は、上記コントローラに入力される。コントローラは、これら２つの検出水温の差（ｔ31−ｔ36）がゼロになるようにポンプ３５の出力すなわち還流路３４の流量を調節する。これによって、第１加温部３１の出口での水温と第３加温部３３の入口での水温を一致させることができ、図３の点Ｐに段差が出来ないようにすることができる。この結果、点Ｐの前後での冷媒と水の温度差Δｔが不連続的に変動しないようにすることができ、熱交換効率を確実に向上させることができる。
【００２４】次に、本発明の他の実施形態を、図４及び図５を参照して説明する。これら実施形態において上記第１実施形態と共通する構成については、図面に同一符号を付して説明を省略する。
【００２５】図４は、本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ１０Ａを示したものである。ヒートポンプ１０Ａの流通路３０には、上記還流路３４が設けられていない。流通路３０の第１、第２加温部３１，３２の間には、上記第３加温部３３（凝縮器２７から熱を受け取るためだけの伝熱管）に代えて、熱中継部３９が設けられている。具体的構造の図示は省略するが、熱中継部３９は、伝熱管からなり、その内部には、伝熱管からなる凝縮器２７が通され、その外部には、伝熱管からなる採熱部２５が通されている。これら凝縮器２７、熱中継部３９、及び採熱部２５によって、三重管構造をなす複合熱交換器１５が構成されている。
【００２６】複合熱交換器１５において、凝縮器２７から熱中継部３９に熱が受け渡されるともに、熱中継部３９から採熱部２５に熱が受け渡される。これによって、上記第１実施形態と同様に、冷媒の温度を高めたうえで圧縮機２１で断熱圧縮することができ、成績係数を向上させることができる。また、熱中継部３９での水温の上昇勾配が、第１、第２加温部３１，３２でのものより緩やかになり、冷媒との温度差が熱交換器１１〜１３全域にわたって大きく変動しないようにすることができ、熱交換効率を向上させることができる。
【００２７】図５は、本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ１０Ｂを示したものである。ヒートポンプ１０Ｂの流通路３０には、第１、第２加温部３１，３２だけが設けられ、熱中継部が設けられていない。冷媒回路２０には、採熱部２５と中間の凝縮器２７とによる内部熱交換器１６が設けられている。
【００２８】内部熱交換器１６において、凝縮器２７から採熱部２５に熱が受け渡される。これによって、冷媒の温度を高めたうえで断熱圧縮でき、成績係数を向上させることができる。しかも、熱の受け渡しが凝縮器２７から採熱部２５へ直接（水を介在させることなく）なされるので、冷媒温度を十分に高めることができ、成績係数を一層向上させることができる。また、中間の凝縮器２７では、冷媒がある程度高温であり、例えば膨張弁２３側の凝縮器２８より高温である。したがって、凝縮器２８と採熱部２５とで内部熱交換器を構成するよりも採熱部２５での冷媒温度を高めて成績係数を大きくすることができる。
【００２９】本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変を行うことが出きる。例えば、加温されるべき流体は、暖房用の熱媒等でもよい。凝縮器２２は、３つの凝縮器２６〜２８に分離されていなくてもよい。図５の第３実施形態において、流通路３０の第１、第２加温部３１，３２の間に、凝縮器２７から熱を受け取る第３加温部３３を設けてもよい。
【００３０】
【発明の効果】本発明の第１の特徴によれば、採熱部で冷媒の温度を高めたうえで圧縮機に送ることができ、冷媒の臨界温度が低くても成績係数を向上させることができる。本発明の第２の特徴によれば、流体を十分に温めて出力することができる。本発明の第３の特徴によれば、冷媒と流体の熱交換効率を向上させることができる。本発明の第４の特徴によれば、冷媒と流体の熱交換効率を確実に向上させることができる。本発明の第５の特徴によれば、第１加温部の出口温度と第３加温部の入口温度が同じになるようにすることができ、冷媒と流体の熱交換効率をより確実に向上させることができる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１７４
【氏名又は名称】積水化学工業株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１２年１１月２１日（２０００．１１．２１） |
| 【代理人】 |
|
| 【公開番号】 |
特開２００２−１６２１２３（Ｐ２００２−１６２１２３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月７日（２００２．６．７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３５４６１２（Ｐ２０００−３５４６１２） |
|