JP2004293872A

JP2004293872A - Heat pump and device using heat

Info

Publication number: JP2004293872A
Application number: JP2003085247A
Authority: JP
Inventors: Kenji Watanabe; 健次渡辺; Hiroyuki Sakata; 裕之坂田; Hiroshi Nishimura; 浩西村; Harumi Okabe; 治美岡部
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat pump capable of improving the energy efficiency and miniaturizing a device even when a refrigerant needing high compression ratio such as the water is used. <P>SOLUTION: This heat pump 1 comprises an evaporator 2, a compressor 3 and a condenser 4. The evaporator 2, the compressor 3 and the condenser 4 are arranged in line along the refrigerant flowing direction. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ、及びそのヒートポンプを用いた熱利用装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプは、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。エネルギー利用効率が比較的高いため、冷暖房機能を有する空気調和装置や冷凍装置などの熱利用装置に多く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２５３１５５号公報
【０００４】
ヒートポンプでは、冷媒が蒸発する際、その蒸発潜熱によって周囲から熱を吸収する。空気調和装置に利用する場合、蒸発時に吸収する熱は、冷房時には室内の空気から供給され、暖房時には大気から供給される。また、ヒートポンプでは、冷媒が凝縮する際に熱を発生する。空調設備に利用する場合、凝縮時に発生する熱は、冷房時には大気に放出され、暖房時には室内に放出される。熱の移動に携わる冷媒としては、例えば、フロン系化合物の他に、アンモニアなどが用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ヒートポンプのエネルギー利用効率は、一般に、入力動力に対する出力熱量の比である成績係数（ＣＯＰ：ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）で表される。環境問題に関する意識の高まりとともに、より一層のエネルギー効率の向上が望まれている。
【０００６】
また一方で、ヒートポンプの冷媒として、環境面での利点（オゾン破壊係数ゼロ、温暖化係数ゼロなど）が多い水を利用する技術の開発が望まれている。水は、蒸発潜熱が大きく、理論上は高いＣＯＰが見込まれるものの、比体積が約１５０ｍ^３／ｋｇ（フロン（Ｒ２２）：約０・３ｍ^３／ｋｇ）と大きく、また、低温域での飽和圧力変化が大きいなどの物性上の特徴から、ヒートポンプへの適用が進んでいない。
【０００７】
例えば、水の比体積が大きいことは、ヒートポンプにおける圧縮機の吸込面積の拡大及び圧縮機全体の大サイズ化につながりやすい。また、水の飽和圧力変化が大きいことは、ヒートポンプにおいて高い圧縮比（例えば、圧縮比１０程度以上）を必要とし、その結果、圧力損失の許容値の低下を招き、配管の大サイズ化につながりやすい。こうしたことから、水冷媒のヒートポンプでは、装置が大規模となりやすく、汎用性が低いといった課題がある。
【０００８】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率の向上を図るとともに、水などの高い圧縮比を必要とする冷媒を用いる場合にも、装置のコンパクト化が可能なヒートポンプを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、高いエネルギー効率が得られる熱利用装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプは、蒸発器と、圧縮機と、凝縮器とを備え、前記蒸発器、前記圧縮機、及び前記凝縮器が、冷媒の流れ方向に従って一列に配列されていることを特徴とする。
【００１０】
上記のヒートポンプにおいては、前記蒸発器の冷媒出口部と前記圧縮機の冷媒入口部とが対向して配置され、前記圧縮機の冷媒出口部と前記凝縮器の冷媒入口部とが対向して配置されているとよい。
【００１１】
また、前記蒸発器、前記圧縮機、及び前記凝縮器が、前記圧縮機の回転軸と同軸上に配置されているとよい。
【００１２】
さらに、上記のヒートポンプにおいて、前記蒸発器、前記圧縮機、及び前記凝縮器が、鉛直方向に一列に配列されているのが好ましい。
【００１３】
また、上記のヒートポンプにおいて、前記圧縮機は、多段圧縮機であるのが好ましい。
【００１４】
また、上記のヒートポンプは、水冷媒にも対応可能である。
【００１５】
また、上記のヒートポンプにおいては、前記蒸発器は、直接接触式の蒸発器からなるのが好ましい。
【００１６】
また、上記のヒートポンプにおいては、前記凝縮器は、直接接触式の凝縮器からなるのが好ましい。
【００１７】
また、本発明の熱利用装置は、熱源との間で熱の授受を行う熱利用装置であって、上記した本発明のヒートポンプを備えることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のヒートポンプについて説明する。
図１は、本発明のヒートポンプの概念図である。
図１において、本発明のヒートポンプ１では、蒸発器２、圧縮機３、及び凝縮器４が、冷媒の流れ方向に従って一列に並んで配列されている。すなわち、それらが、蒸発器２、圧縮機３、凝縮器４の順に一列に並んでいる。この構成によれば、蒸発器２の冷媒出口と圧縮機３の冷媒入口との距離、並びに圧縮機３の冷媒出口と凝縮器４の冷媒入口との距離が短くなり、冷媒の蒸気配管の長さが短縮される。そのため、このヒートポンプ１では、蒸気配管での圧力損失が小さく、装置のコンパクト化とともに、圧縮機３の仕事を高効率に利用することが可能となる。
【００１９】
例えば、上記構成のヒートポンプ１において、蒸発器２の冷媒出口部２ａと圧縮機３の冷媒入口部３ａとが対向して配置され、圧縮機３の冷媒出口部３ｂと凝縮器４の冷媒入口部４ａとが対向して配置されていることにより、冷媒の蒸気配管の長さが短縮されかつ、蒸気配管の屈曲部分が低減される。そのため、この構成では、蒸気の流れにおける圧力損失が低減される。
【００２０】
この場合、蒸発器２、圧縮機３、及び凝縮器４が、圧縮機３の回転軸３ｃと同軸上に配置されているのが好ましい。さらに、蒸発器２の冷媒出口２ａ、圧縮機３の冷媒入口３ａ並びに出口３ｂ、及び凝縮器４の冷媒入口４ａが、圧縮機３の回転軸３ｃと同軸上に配置されているのが好ましい。この構成では、蒸発器２の冷媒出口２ａと圧縮機３の冷媒入口３ａとの距離、並びに圧縮機３の冷媒出口３ｂと凝縮器４の冷媒入口４ａとの距離が確実に短縮されるとともに、圧縮機３における配管構成が簡略化され、装置のコンパクト化が図られる。
【００２１】
さらに、上記構成のヒートポンプ１において、蒸発器２の冷媒出口部２ａと圧縮機３の冷媒入口部３ａとが直結され、圧縮機３の冷媒出口部３ｂと凝縮器４の冷媒入口部４ａとが直結されているのがより好ましい。この構成では、冷媒の蒸気配管、すなわち蒸発器２と圧縮機３との間の蒸気配管、並びに圧縮機３と凝縮器４との間の蒸気配管が実質的に無くなる。つまり、蒸発器２、圧縮機３、及び凝縮器４がいわば一体的に構成され、蒸気配管の長さ（機器同士の間の配管）が実質的にゼロに等しくなる。そのため、この構成では、圧縮仕事の損失がさらに少なくなる。また、この構成では、圧縮機３に対して蒸発器２及び凝縮器４がそれぞれ直結されていることから、仮に圧縮機３の吸込面積（冷媒入口３ａ及び出口３ｂの開口面積）が大きい場合にも、配管の拡大化を招くことがなく、装置のコンパクト化を図る上で有利である。
【００２２】
このように、本発明のヒートポンプ１では、蒸気配管の長さが短縮化あるいは簡略化されることから、装置のコンパクト化が図られる。また、圧力損失の低減により、圧縮機３の仕事の利用効率の向上が図られる。
【００２３】
なお、本発明のヒートポンプ１においては、蒸発器２、圧縮機３、及び凝縮器４が、鉛直方向に一列に配列されているのが好ましい。この構成では、蒸発器２、圧縮機３、凝縮器４が縦に並べて配置されることにより、フットスペースの縮小化が図られる。この構成においては、圧縮機の上に蒸発器、下に凝縮器が配されてもよく、圧縮機の上に凝縮器、下に蒸発器が配されてもよい。
【００２４】
ここで、本発明における圧縮機３としては、単段圧縮機及び多段圧縮機のいずれも適用可能である。多段圧縮機を用いることにより、比較的小型のもので、高い圧縮比を得ることができる。上述したように、本発明のヒートポンプ１では、圧力損失が小さく、装置のコンパクト化とともに、圧縮機３の仕事を高効率に利用することが可能であることから、高い圧縮比を必要とする冷媒を用いる場合にも好ましく適用される。
【００２５】
冷媒としては、フロン系冷媒、アンモニアなどの公知の様々な冷媒の他に、水が挙げられる。水は蒸発潜熱が大きいため、理論上高いＣＯＰ（フロンの約１．５倍）が見込まれる。ただし、水は飽和圧力変化が大きいために、ヒートポンプで利用するには高い圧縮比（フロンの約３倍以上）での圧縮を必要とし、また圧力損失の許容値が小さい（フロンの約１／１３０）。
【００２６】
上述したように、本発明のヒートポンプ１は、圧力損失が小さく、圧縮機３の仕事を高効率に利用可能な構成であることから、高い圧縮比を必要とする水冷媒の使用が可能である。また、ヒートポンプの冷媒に水を用いる場合、水蒸気の比体積が大きく、蒸気配管の配管径や圧縮機の吸込面積が大きくなるものの、本発明のヒートポンプ１においては、蒸気配管の長さが短く、さらに蒸気配管（機器同士の間の配管）の長さを実質的にゼロにすることも可能であることから、装置のコンパクト化を図ることができる。
【００２７】
上記の本発明のヒートポンプは、例えば、冷房、暖房、除湿、及び加湿の少なくとも１つの機能を有する空気調和装置に適用することができる。この他に、冷却装置（ヒートシンクなど）、暖房装置（床暖房装置など）、給湯装置、冷凍装置、脱水装置、蓄熱装置、融雪装置、乾燥装置など、熱源との間で熱の授受を行う様々な熱利用装置（プラントやシステムを含む）に適用可能である。これらの熱利用装置では、本発明のヒートポンプを用いることにより、装置のコンパクト化とともに、高いエネルギー効率を得ることができる。また、ヒートポンプの冷媒に水を用いることにより、エネルギー効率の向上とともに、環境面での様々な利点が得られる。以下に、本発明の熱利用装置の一例として、本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した例について説明する。
【００２８】
図２は、本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した実施の形態例を模式的に示す構成図である。この空気調和装置１０は、室内空気を冷房及び暖房する機能を有するものであり、蒸発器１１、圧縮機１２、及び凝縮器１３を含むヒートポンプ１４を備えている。本例では、ヒートポンプ１４は、冷媒として水（Ｈ_２Ｏ）を用いる。
【００２９】
ヒートポンプ１４においては、蒸発器１１内の冷媒液（水）は、周囲から吸収した熱により蒸発する。熱は冷房時には室内から供給され、暖房時には大気から供給される。また、蒸発した冷媒ガス（水蒸気）は圧縮機１２で圧縮され、高温高圧のガスとして排出される。排出された冷媒ガス（水蒸気）は凝縮器１３内で周囲へ熱を放出することにより冷却凝縮される。熱は冷房時には大気に放出され、暖房時には室内に放出される。凝縮器１３を出た冷媒液（水）は膨張弁１５を介して圧力と温度が下がり、再び蒸発器１１に戻る。なお、以下の説明において、特に断りのない場合は、冷房運転を想定しているものとする。
【００３０】
図２において、蒸発器１１、圧縮機１２、及び凝縮器１３はそれぞれ外形が円筒形状からなり、冷媒の流れ方向に従って蒸発器１１、圧縮機１２、凝縮器１３の順に一列に配列されている。本例では、これらは鉛直方向に一列に配列されており、圧縮機１２の上に蒸発器１１、圧縮機１２の下に凝縮器１３が配されている。
【００３１】
図３は、圧縮機１２の構成の一例を模式的に示す図である。
図３において、圧縮機１２は、多段（本例では４段）の遠心圧縮機からなり、回転軸２０と、回転軸２０に取り付けられかつ回転軸２０の軸方向に多段に配置される複数のインペラ２１と、回転軸２０を回転自在に支持しかつ複数のインペラ２１を囲うケーシング２２と、回転軸２０を駆動するための駆動装置２３とを備えて構成されている。また、ケーシング２２には、速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するためのディフューザ２４と、前段のインペラ２１からの作動ガス（冷媒ガス；本例では水蒸気）を後段のインペラ２１に導く流路であるリターンチャネル２５とが設けられている。なお、本例では、駆動装置２３として、内蔵タイプの電動機（ビルトインモータ）が用いられており、コンパクト化が図られている。
【００３２】
駆動装置２３が回転軸２０を回転させると、入口部２５を介して作動ガスが圧縮機１２内に流入する。作動ガスは、インペラ２１の回転により周方向かつ外方に移動されてディフューザ２４に入り、ここで圧縮されて圧力が高められる。圧縮された作動ガスはリターンチャネル２５を通って次の段のインペラ２１に導かれ、以後同様にして作動ガスの圧縮が各段で行われる。複数段にわたって圧縮が繰り返されることにより、所望の圧縮比（本例では圧縮比１０程度）まで作動ガスの圧力が高められる。そして、その作動ガスが出口部２６を介して圧縮機１２内から排出される。
【００３３】
ここで、作動ガスの入口部２５及び出口部２６はそれぞれ、回転軸２０と同軸上で、回転軸２０の軸端の両側に分けて配置されている。すなわち、この圧縮機１２では、回転軸２０の一方の軸端側から作動ガスが流入し、他方の軸端側から作動ガスが排出される。また、圧縮機１２の入口部２５は蒸発器１１の出口部２７に接続され、圧縮機１２の出口部２６は凝縮器１３の入口部２８に接続されている。より具体的には、圧縮機１２の入口部２５及び出口部２６は、フランジ構造からなり、軸心中央の開口を作動ガスが通過するように形成されている。そして、圧縮機１２の入口部２５と蒸発器１１の出口部２７とがフランジを介して互いに直結され、同様に、圧縮機１２の出口部２６と凝縮器１３の入口部２８とがフランジを介して互いに直結されている。
【００３４】
この構成では、蒸発器１１の出口部２７と圧縮機１２の入口部２５とが直結され、圧縮機１２の出口部２６と凝縮器１３の入口部２８とが直結された構造であることから、蒸発器１１、圧縮機１２、及び凝縮器１３がいわば一体的につながった構造からなり、蒸発器１１と圧縮機１２との間の配管、並びに圧縮機１２と凝縮器１３との間の配管が実質的に省かれている。そのため、装置のコンパクト化が図られる。また、圧縮機１２の入口部２５及び出口部２６の開口は、回転軸２０の軸上にあり、作動ガスは、この開口を蒸発器１１から圧縮機１２に向けて、あるいは圧縮機１２から凝縮器１３に向けて回転軸２０の軸方向に流れる。すなわち、この圧縮機１２では、圧縮機１２に対して流入あるいは流出する作動ガスの流れにおいて、屈曲する流路がほとんどなく、圧力損失が小さい。
【００３５】
また、この圧縮機１２では、上述した直結構造により、入口部２５及び出口部２６における開口面積を大きく取ることが可能である。すなわち、機器間の配管が省かれることから、この部分での配管による構造上の制約がほとんどない。そのため、この圧縮機１２では、開口面積を大きく取ることで、十分な流路断面積を確保し、大流量の蒸気圧縮に対応することができる。
【００３６】
なお、この圧縮機１２において、段間の流路（リターンチャネル２５）を流れる作動ガスを冷却する構成としてもよい（中間段冷却）。中間段冷却は、例えば、リターンチャネル２５を流れる作動ガスに冷却媒体を加えたり、あるいはリターンチャネル２５を流れる作動ガスと別の冷媒とを熱交換させたりすることにより、圧縮機１２内の作動ガスの温度を降下させるものである。中間段冷却により、圧縮効率を向上させ、圧縮動力を低減することができる。
【００３７】
図４は、蒸発器１１の構成の一例を模式的に示す図である。なお、以後の各図において、図中に書かれた温度は、水冷媒を用いた場合の各部における冷媒温度の一例を示している。
図４の蒸発器１１は、直接接触式の蒸発器である。すなわち、この蒸発器１１は、低温低圧の冷媒液（水）を貯溜する貯溜部３０と、貯溜部３０の冷媒液を循環させるためのポンプ３１と、室内から吸熱するための熱交換器３２と、熱交換器３２によって温度上昇した冷媒液を貯溜部３０内で噴霧するためのスプレーノズル３３と、スプレーノズル３３からの液状冷媒の蒸発を促進させる蒸発促進部材３４とを備えて構成されている。
【００３８】
蒸発器１１では、凝縮器１３からの冷媒液が貯溜部３０内に貯溜され、その後ポンプ３１により循環される。貯溜部３０の内部空間は冷媒液（水）の飽和状態にあり、室内から熱を吸収して温度上昇した冷媒液が、スプレーノズル３３を介して貯溜部３０の内部に噴霧されることにより、その冷媒液が貯溜部３０の内部空間で蒸発する。直接接触式の蒸発器では、圧力損失が小さく、効果的に冷媒液を蒸発させることができる。なお、蒸発促進部材３４は、スプレーノズル３３からの冷媒液を表面に付着させて、冷媒液の蒸発を促進させるためのもの（流下膜方式）であり、広い表面積（蒸発面積）を有するように形成される。
【００３９】
図５及び図６は、蒸発促進部材３４の形態例を示す図である。
図５において、蒸発促進部材３４は、表面に冷媒液が膜状に付着するように、例えば、（ａ）網状、（ｂ）平板状、（ｃ）波板状、（ｄ）穴あき板状（板状部材に多数の孔が設けられたもの）、（ｅ）布板状（板状部材に布が貼り付けられたもの）、などの形態に形成されている。
【００４０】
また、図６において、蒸発促進部材３４は、その全体的な形状が、例えば、（ａ）間隔を開けて配置される複数の板状部材からなる形態、（ｂ）巻状、（ｃ）径が異なる複数の円筒状の部材を同心状に配置した形態、（ｄ）格子状、などの形態に形成されている。図５及び図６に示した形態を組み合わせることにより、蒸発促進部材３４の表面で冷媒液が膜状となるなど、限られた空間内で冷媒液が付着する表面積が広くなり、冷媒液の蒸発が促進する。
【００４１】
図４に戻り、蒸発した冷媒ガス（水蒸気）は、貯溜部３０内の液面より高い位置に設けられた吸込口３５を介して圧縮機１２に向けて流れる。本例の蒸発器１１では、貯溜部３０の内部空間で冷媒液が蒸発することから、蒸発した冷媒ガス（水蒸気）の流れに対する圧力損失が小さいという利点がある。
【００４２】
図７は、蒸発器１１の構成の他の例を模式的に示す図である。
図７の蒸発器１１は、間接隔壁式の蒸発器である。すなわち、この蒸発器１１は、低温低圧の冷媒液（水）を貯溜する貯溜部４０と、貯溜部４０の冷媒液を循環させるためのポンプ４１と、冷媒液を貯溜部４０内で噴霧するためのスプレーノズル４２と、貯溜部４０に貯溜された冷媒液の中に配置されかつ室内の熱を含む冷媒が流れる蒸発管４３とを備えて構成されている。
【００４３】
この蒸発器１１では、凝縮器１３からの冷媒液は、貯溜部４０内に貯溜されるとともに、ポンプ４１により循環され、スプレーノズル４２を介して貯溜部４０の内部空間において噴霧される。貯溜部４０の内部空間は冷媒液（水）の飽和状態にあり、蒸発管４３を介して室内の熱を吸収することにより、温度上昇した冷媒液が蒸発する。蒸発管４３は、冷媒液の蒸発を促進させるために、広い表面積（蒸発面積）を有するように形成されている。
【００４４】
図８は、蒸発管４３の形態例を示す図である。
図８において、蒸発管４３は、（ａ）素管（通常表面）、（ｂ）表面に網状の部材が配設された網付管、（ｃ）多数の溝が表面に形成された溝切管、（ｄ）多数のフィンが埋設されたフィンチューブ、などの形態に形成されている。この形態により、蒸発管４３の表面面積（伝熱面積）が大きく、蒸発管４３を介した室内用冷媒と貯溜部４０の冷媒液との間の熱交換が促進する。
【００４５】
図７に戻り、蒸発した冷媒ガス（水蒸気）は、貯溜部４０内の液面より高い位置に設けられた吸込口４５を介して圧縮機１２に向けて流れる。本例の蒸発器１１では、図４の例と同様に、貯溜部４０の内部空間で冷媒液が蒸発することから、蒸発した冷媒ガスの流れに対する圧力損失が小さいという利点がある。
【００４６】
図９は、凝縮器１３の構成の一例を模式的に示す図である。
図９の凝縮器１３は、直接接触式の凝縮器である。すなわち、この凝縮器１３は、凝縮した冷媒液（水）を貯溜する貯溜部５０と、貯溜部５０の冷媒液を循環させるためのポンプ５１と、凝縮した冷媒液を冷却するための冷却器５２（空冷式熱交換器）と、冷却器５２によって温度降下した冷媒液を貯溜部５０内で噴霧するためのスプレーノズル５３と、貯溜部５０内での冷媒ガスの凝縮を促進させるための凝縮促進部材５４とを備えて構成されている。
【００４７】
貯溜部５０内の冷媒液（水）は、冷却器５２によって冷却され、スプレーノズル５３を介して貯溜部５０の内部空間において噴霧される。圧縮機１２からの高温高圧の冷媒ガス（水蒸気）は、スプレーノズル５３から噴霧された冷媒液に接するなどにより冷却されて凝縮する。直接接触式の凝縮器では、圧力損失が小さく、効果的に冷媒ガスを凝縮させることができる。なお、凝縮促進部材５４は、スプレーノズル５３からの冷媒液を表面に付着させて、それに接する冷媒ガスの凝縮を促進させるためのものである。
【００４８】
図１０は、凝縮促進部材５４の形態例を示す図である。
図１０において、凝縮促進部材５４は、例えば、（ａ）網状、（ｂ）金属綿、などの形態のものからなる。こうした形態の凝縮促進部材５４は、冷媒液を保持しかつ、冷媒ガスの流れに対して抵抗となりにくい。そのため、圧力損失を大きく増やすことなく、冷媒の凝縮を促進させることができる。
【００４９】
図１１は、凝縮器１３の構成の他の例を模式的に示す図である。
図１１の凝縮器１３は、液柱式凝縮器（直接接触式の一形態）である。すなわち、この凝縮器１３は、凝縮した冷媒液（水）を貯溜する貯溜部５５と、貯溜部５５の冷媒液を循環させるためのポンプ５６と、凝縮した冷媒液を冷却するための冷却器５７（空冷式熱交換器）と、冷却器５７によって温度降下した冷媒液を貯溜部５５内で柱状に流下させる管群５８とを備えて構成されている。管群５８は、例えば、図１１（ｂ）の斜視図に示すように、複数の管が並べられた構造からなり、各管には冷媒液を吐出するための複数の孔５８ａが設けられている。なお、本例では、各管の周面には上記複数の孔５８ａが設けられるのみで、スプレーノズルは取り付けられていない。
【００５０】
貯溜部５５内の冷媒液（水）は、冷却器５７によって冷却され、管群５８を介して貯溜部５５の内部空間において柱状に流下される。圧縮機１２からの高温高圧の冷媒ガス（水蒸気）は、管群５８から流下する冷媒液に接するなどにより冷却されて凝縮する。液柱式凝縮器では、上述した直接接触式の利点の他に、（ａ）構造が簡単であり低コストを図りやすい、（ｂ）液柱の直径や流速、あるいは液柱の空間密度の調整が容易である、（ｃ）簡素な構造ながら噴霧式と同程度の凝縮性能が得られる、などの利点がある。なお、この液柱式の構造は蒸発器にも適用可能である。凝縮器と蒸発器とを同型とすることにより、量産効果が期待できる。
【００５１】
図１２は、凝縮器１３の構成の別の例を模式的に示す図である。
図１２の凝縮器１３は、間接隔壁式の凝縮器である。すなわち、この凝縮器１３は、凝縮した冷媒液（水）を貯溜する貯溜部６０と、貯溜部６０の空間部に配置されかつ所定の冷媒が流れる凝縮管６１と、凝縮管６１を流れる冷媒用の循環ポンプ６２と、凝縮管６１を流れる冷媒を冷却するための冷却器６３（空冷式熱交換器）とを備えて構成されている。
【００５２】
この凝縮器１３では、圧縮機１２からの高温高圧の冷媒ガス（水蒸気）は、凝縮管６１を流れる冷媒との熱交換により冷却されて凝縮する。凝縮管６１を流れる冷媒は、冷媒ガスとの熱交換により温度上昇するものの、冷却器６３によって冷却される。凝縮管６１は、冷媒ガスの凝縮を促進させるために、先の図８に示した蒸発管４３と同様に、広い表面積（蒸発面積）を有するように形成された様々な形態が適用される。
【００５３】
図１３、図１４、及び図１５は、上述したヒートポンプ１４の配置例を示している。
前述したように、本例のヒートポンプ１４においては、蒸発器１１、圧縮機１２、及び凝縮器１３が鉛直方向に一列に配列されている。すなわち、蒸発器１１、圧縮機１２、及び凝縮器１３が縦に並べて配置されている。そのため、このヒートポンプ１４では、蒸発器１１、圧縮機１２、及び凝縮器１３から構成されるユニットのフットスペースが小さく抑制される。
【００５４】
ここで、本例のヒートポンプ１４においては、凝縮器１３において凝縮した冷媒液を冷却するための冷却器１６を、凝縮器１３とは別に備えている。すなわち、本例では、凝縮器１３は、主として圧縮機１２からの高温高圧の冷媒ガスを凝縮させるものであり、冷却器１６は主としてその凝縮された冷媒液を冷却するものとして構成されている。この構成では、広い伝熱面積を必要とする冷却器１６を凝縮器１３とは別に設けたことで、蒸発器１１、圧縮機１２、及び凝縮器１３から構成されるユニットのコンパクト化が図られる。
【００５５】
この場合、１つの冷却器１６に対して１つの上記ユニットを配置してもよく、１つの冷却器に対して複数の上記ユニットを配置してもよい。図１３は、１つの冷却器１６に対して１つの上記ユニット（蒸発器１１、圧縮機１２、凝縮器１３）が配置された様子を示す図、図１４及び図１５は、１つの冷却器１６に対して複数（ここでは３つ）の上記ユニットが配置された様子を示す図である。なお、符号３１は、室内との熱交換用の熱交換器３２を介して、圧縮機１２における冷媒液を循環させる蒸発器循環ポンプ（図４参照）、図中符号５１は、凝縮器１３で凝縮された冷媒液を冷却器１６を介して蒸発器１１に送るための凝縮器循環ポンプ（図９参照）、符号１６ａは空冷用のファンを示している。
【００５６】
図１３の例では、１つの冷却器１６に対して１つのヒートポンプユニットＵ１（蒸発器１１、圧縮機１２、凝縮器１３）が配置されている。また、冷却器１６は、上記ユニットＵ１、循環ポンプ３１，５１、熱交換器３２、を囲むように配置されている。この構成では、大きな伝熱面積を確保しつつ、フットスペースの有効利用化が図られる。
【００５７】
図１４の例では、１つの冷却器１６に対して３つのヒートポンプユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３（蒸発器１１、圧縮機１２、凝縮器１３）が配設されている。３つのヒートポンプユニットＵ１，Ｕ１，Ｕ３は、水平方向に一列に並べて配置されており、冷却器１６はこれらの３つのユニット、及びそれに付随する各機器を囲むように配置されている。この構成では、冷却器１６における大きな伝熱面積を確保しつつ、１つの冷却器１６を３つのユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３で共用することができる。冷却器の共用により、配管の簡素化並びに低コスト化が図られる。
【００５８】
図１５の例では、図１４の例と同様に、１つの冷却器１６に対して３つのヒートポンプユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３が配設されている。また、図１５の例では、冷却器１６は、３つのヒートポンプユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３とは別の場所に離れて配設されている。例えば、ヒートポンプユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、空調対象の部屋に近い位置に配設され、冷却器１６は屋上に配置される。この構成では、設置スペースの有効活用が図れるとともに、配管設計の最適化を図りやすい。
【００５９】
なお、上述した実施形態例においては、圧縮機の上に蒸発器、下に凝縮器が配された構成となっている。しかしながら、本発明のヒートポンプにおいて、圧縮機の上に凝縮器、下に蒸発器が配された構成であってもよい。ここで、これら各構成の利点について、図１６（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。なお、図中に書かれた温度は、水冷媒を用いた場合の各部における冷媒温度の一例である。
【００６０】
図１６（ａ）に示すように、圧縮機の上に蒸発器、下に凝縮器が配された構成からなるヒートポンプには、例えば次の利点がある。
（１）冷媒として水を用いる場合において、蒸発器用のポンプにおける冷媒の減圧沸騰が安定して回避される。すなわち、水冷媒を用いる場合、蒸発器の内部が負圧（例えば０．００９ａｔａ）の飽和状態となることから、そこから流体（冷媒）を吸入する蒸発器用のポンプは、吸入側で減圧沸騰してポンプが蒸気閉塞（ベーパロック）を起こして流量が大幅減少するおそれがあるものの、蒸発器が上部に配され、蒸発器用のポンプが底部に設置されることにより、その圧力ヘッドによって蒸発器用のポンプでの減圧沸騰が安定して回避される。
（２）圧縮機の信頼性の向上が図られる。すなわち、この構成では、下部にある凝縮器の圧力（例えば、０．１ａｔａ）が高く、上部にある蒸発器の圧力（例えば、０．００９ａｔａ）が低いので、圧縮機のスラストは下から上に作用する。一方、圧縮機の軸及び回転翼の自重は上から下に作用する。両者は打ち消す方向に働くので、スラスト軸受の負荷が軽くなり、圧縮機の信頼性の向上が図られる。
【００６１】
一方、図１６（ｂ）に示すように、圧縮機の上に凝縮器、下に蒸発器が配された構成からなるヒートポンプには、例えば次の利点がある。
（１）冷媒として水を用いる場合において、凝縮器用のポンプにおける冷媒の減圧沸騰が安定して回避される。すなわち、冷媒として水を用いる場合、凝縮器の内部が負圧（例えば０．１ａｔａ）の飽和状態となることから、そこから流体（冷媒）を吸入する凝縮器用のポンプは、吸入側で減圧沸騰してポンプが蒸気閉塞（ベーパロック）を起こして流量が大幅減少するおそれがあるものの、凝縮器が上部に配され、蒸発器用のポンプが底部に設置されることにより、その圧力ヘッドによって凝縮器用ののポンプでの減圧沸騰が安定して回避される。
（２）圧力損失の低減が図られる。すなわち、蒸発器の圧力（例えば、０．００９ａｔａ）は、凝縮器の圧力（例えば、０．１ａｔａ）に比べて低いので、冷媒ガスの体積流量が多くなる（例えば、０．１／０．００９＝１１倍）。このガスが下部にある蒸発器から圧縮機へ流入する場合には、凝縮器のような還り通路が不要となり、ガス速度が小さいままで維持できるので、そこでの圧力損失が少なくて済む。なお、圧力損失は流速の２乗で効く。
【００６２】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００６３】
【発明の効果】
本発明のヒートポンプによれば、冷媒の圧力損失を小さく抑えることにより、水などの高い圧縮比を必要とする冷媒を用いる場合にも、装置のコンパクト化を図ることができる。
また、本発明の熱利用装置によれば、冷媒の圧力損失の低減により、エネルギー効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒートポンプの概念図である。
【図２】本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した実施の形態例を模式的に示す構成図である。
【図３】圧縮機の構成の一例を模式的に示す図である。
【図４】蒸発器の構成の一例を模式的に示す図である。
【図５】蒸発促進部材の形態例を示す図である。
【図６】蒸発促進部材の形態例を示す図である。
【図７】蒸発器の構成の他の例を模式的に示す図である。
【図８】蒸発管の形態例を示す図である。
【図９】凝縮器の構成の一例を模式的に示す図である。
【図１０】凝縮促進部材の形態例を示す図である。
【図１１】凝縮器の構成の他の例を模式的に示す図である。
【図１２】凝縮器の構成の別の例を模式的に示す図である。
【図１３】ヒートポンプの配置例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図１４】ヒートポンプの配置例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図１５】ヒートポンプの配置例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図１６】蒸発器、圧縮機、及び凝縮器の配置に関連する利点を説明するための図である。
【符号の説明】
１，１４…ヒートポンプ、２，１１…蒸発器、３，１２…圧縮機、３ｃ，２０…回転軸、４，１３…凝縮器、１０…空気調和装置（熱利用装置）、１５…膨張弁、１６…冷却器、２３…駆動装置。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat pump and a heat utilization device using the heat pump.
[0002]
[Prior art]
A heat pump is a device that pumps heat from a low-temperature object and applies heat to a high-temperature object by a cycle including evaporation, compression, condensation, and expansion steps. Since the energy use efficiency is relatively high, it is widely used for heat utilization devices such as air conditioners and refrigeration devices having a cooling / heating function (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-10-253155
[0004]
In a heat pump, when the refrigerant evaporates, heat is absorbed from the surroundings by the latent heat of evaporation. When used in an air conditioner, heat absorbed during evaporation is supplied from indoor air during cooling, and supplied from the atmosphere during heating. In the heat pump, heat is generated when the refrigerant condenses. When used for air conditioning equipment, the heat generated during condensation is released to the atmosphere during cooling and released indoors during heating. As the refrigerant involved in the transfer of heat, for example, ammonia or the like is used in addition to the chlorofluorocarbon compound.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The energy utilization efficiency of a heat pump is generally represented by a coefficient of performance (COP), which is a ratio of the amount of output heat to the input power. With increasing awareness of environmental issues, further improvement in energy efficiency is desired.
[0006]
On the other hand, there is a demand for the development of a technology that uses water, which has many environmental advantages (zero ozone depletion potential, zero global warming potential, etc.), as a refrigerant for a heat pump. Water has a large latent heat of vaporization, and although a theoretically high COP is expected, its specific volume is about 150 m. ³ / Kg (CFC (R22): about 0.3m ³ / Kg), and its application to a heat pump has not been advanced due to its physical properties such as a large change in saturation pressure in a low temperature range.
[0007]
For example, a large specific volume of water tends to increase the suction area of the compressor in the heat pump and increase the size of the entire compressor. Further, a large change in the saturated pressure of water requires a high compression ratio (for example, a compression ratio of about 10 or more) in the heat pump, and as a result, the allowable value of the pressure loss is reduced, leading to an increase in the size of the piping. Cheap. For this reason, the water-refrigerant heat pump has a problem that the device tends to be large-scale and has low versatility.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and aims at improving energy efficiency, and even when using a refrigerant that requires a high compression ratio such as water, a heat pump that can be downsized. To provide.
Another object of the present invention is to provide a heat utilization device that can achieve high energy efficiency.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a heat pump according to the present invention includes an evaporator, a compressor, and a condenser, and the evaporator, the compressor, and the condenser are arranged in a line in a flow direction of a refrigerant. It is characterized by having been done.
[0010]
In the above heat pump, the refrigerant outlet of the evaporator and the refrigerant inlet of the compressor are arranged to face each other, and the refrigerant outlet of the compressor and the refrigerant inlet of the condenser are arranged to face each other. It is good to be.
[0011]
Further, it is preferable that the evaporator, the compressor, and the condenser are arranged coaxially with a rotation axis of the compressor.
[0012]
Further, in the above heat pump, it is preferable that the evaporator, the compressor, and the condenser are arranged in a line in a vertical direction.
[0013]
Further, in the above heat pump, the compressor is preferably a multi-stage compressor.
[0014]
Further, the above-described heat pump is applicable to a water refrigerant.
[0015]
In the above heat pump, it is preferable that the evaporator comprises a direct contact evaporator.
[0016]
In the above heat pump, it is preferable that the condenser comprises a direct contact condenser.
[0017]
Further, a heat utilization device of the present invention is a heat utilization device that exchanges heat with a heat source, and includes the heat pump of the present invention described above.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the heat pump of the present invention will be described.
FIG. 1 is a conceptual diagram of the heat pump of the present invention.
In FIG. 1, in the heat pump 1 of the present invention, the evaporator 2, the compressor 3, and the condenser 4 are arranged in a line in the flow direction of the refrigerant. That is, they are arranged in a line in the order of the evaporator 2, the compressor 3, and the condenser 4. According to this configuration, the distance between the refrigerant outlet of the evaporator 2 and the refrigerant inlet of the compressor 3 and the distance between the refrigerant outlet of the compressor 3 and the refrigerant inlet of the condenser 4 are shortened. Is shortened. For this reason, in the heat pump 1, the pressure loss in the steam pipe is small, and the work of the compressor 3 can be used with high efficiency, in addition to the compactness of the apparatus.
[0019]
For example, in the heat pump 1 having the above configuration, the refrigerant outlet 2a of the evaporator 2 and the refrigerant inlet 3a of the compressor 3 are disposed to face each other, and the refrigerant outlet 3b of the compressor 3 and the refrigerant inlet of the condenser 4 are provided. By arranging 4a to face, the length of the refrigerant steam pipe is reduced, and the bent portion of the steam pipe is reduced. Therefore, in this configuration, the pressure loss in the steam flow is reduced.
[0020]
In this case, it is preferable that the evaporator 2, the compressor 3, and the condenser 4 are arranged coaxially with the rotating shaft 3c of the compressor 3. Furthermore, it is preferable that the refrigerant outlet 2a of the evaporator 2, the refrigerant inlet 3a and the outlet 3b of the compressor 3, and the refrigerant inlet 4a of the condenser 4 are arranged coaxially with the rotating shaft 3c of the compressor 3. In this configuration, the distance between the refrigerant outlet 2a of the evaporator 2 and the refrigerant inlet 3a of the compressor 3 and the distance between the refrigerant outlet 3b of the compressor 3 and the refrigerant inlet 4a of the condenser 4 are reliably reduced, The piping configuration in the compressor 3 is simplified, and the size of the apparatus is reduced.
[0021]
Further, in the heat pump 1 having the above-described configuration, the refrigerant outlet 2a of the evaporator 2 and the refrigerant inlet 3a of the compressor 3 are directly connected, and the refrigerant outlet 3b of the compressor 3 and the refrigerant inlet 4a of the condenser 4 are connected. More preferably, they are directly connected. In this configuration, the steam pipe for the refrigerant, that is, the steam pipe between the evaporator 2 and the compressor 3 and the steam pipe between the compressor 3 and the condenser 4 are substantially eliminated. That is, the evaporator 2, the compressor 3, and the condenser 4 are so-called integrally formed, and the length of the steam pipe (the pipe between the devices) is substantially equal to zero. Therefore, in this configuration, the loss of the compression work is further reduced. Further, in this configuration, since the evaporator 2 and the condenser 4 are directly connected to the compressor 3, respectively, if the suction area of the compressor 3 (the opening area of the refrigerant inlet 3a and the outlet 3b) is large, This is advantageous in reducing the size of the apparatus without causing an increase in piping.
[0022]
Thus, in the heat pump 1 of the present invention, the length of the steam pipe is shortened or simplified, so that the apparatus can be made compact. In addition, by reducing the pressure loss, the work utilization efficiency of the compressor 3 is improved.
[0023]
In the heat pump 1 of the present invention, the evaporator 2, the compressor 3, and the condenser 4 are preferably arranged in a line in the vertical direction. In this configuration, the foot space can be reduced by arranging the evaporator 2, the compressor 3, and the condenser 4 vertically. In this configuration, the evaporator may be arranged above the compressor and the condenser may be arranged below the compressor, or the condenser may be arranged above the compressor and may be arranged below the compressor.
[0024]
Here, as the compressor 3 in the present invention, any of a single-stage compressor and a multi-stage compressor can be applied. By using a multi-stage compressor, a relatively compact one and a high compression ratio can be obtained. As described above, in the heat pump 1 of the present invention, since the pressure loss is small, the apparatus can be made compact, and the work of the compressor 3 can be used with high efficiency, the refrigerant that requires a high compression ratio is used. It is preferably applied also when using.
[0025]
Examples of the refrigerant include water in addition to various known refrigerants such as a CFC-based refrigerant and ammonia. Since water has a large latent heat of vaporization, a theoretically high COP (about 1.5 times that of chlorofluorocarbon) is expected. However, since water has a large change in saturated pressure, it requires compression at a high compression ratio (about 3 times or more of Freon) to be used in a heat pump, and has a small allowable value of pressure loss (about 1/1 of Freon). 130).
[0026]
As described above, since the heat pump 1 of the present invention has a configuration in which the pressure loss is small and the work of the compressor 3 can be used with high efficiency, it is possible to use a water refrigerant that requires a high compression ratio. . When water is used as the refrigerant of the heat pump, although the specific volume of steam is large and the pipe diameter of the steam pipe and the suction area of the compressor are large, in the heat pump 1 of the present invention, the length of the steam pipe is short, Furthermore, since the length of the steam pipe (the pipe between the devices) can be made substantially zero, the size of the apparatus can be reduced.
[0027]
The above-described heat pump of the present invention can be applied to, for example, an air conditioner having at least one function of cooling, heating, dehumidifying, and humidifying. In addition, various devices that exchange heat with a heat source, such as a cooling device (such as a heat sink), a heating device (such as a floor heating device), a hot water supply device, a freezing device, a dehydrating device, a heat storage device, a snow melting device, and a drying device. It can be applied to various heat utilization devices (including plants and systems). In these heat utilization devices, by using the heat pump of the present invention, the device can be made compact and high energy efficiency can be obtained. Further, by using water as the refrigerant of the heat pump, various environmental advantages can be obtained while improving energy efficiency. Hereinafter, as an example of the heat utilization device of the present invention, an example in which the heat pump of the present invention is applied to an air conditioner will be described.
[0028]
FIG. 2 is a configuration diagram schematically showing an embodiment in which the heat pump of the present invention is applied to an air conditioner. The air conditioner 10 has a function of cooling and heating indoor air, and includes a heat pump 14 including an evaporator 11, a compressor 12, and a condenser 13. In this example, the heat pump 14 uses water (H ₂ O 2) is used.
[0029]
In the heat pump 14, the refrigerant liquid (water) in the evaporator 11 evaporates due to heat absorbed from the surroundings. Heat is supplied from the room during cooling and from the atmosphere during heating. The evaporated refrigerant gas (steam) is compressed by the compressor 12 and discharged as a high-temperature and high-pressure gas. The discharged refrigerant gas (water vapor) is cooled and condensed by releasing heat to the surroundings in the condenser 13. Heat is released to the atmosphere during cooling, and is released indoors during heating. The refrigerant liquid (water) that has exited the condenser 13 has its pressure and temperature decreased via the expansion valve 15 and returns to the evaporator 11 again. In the following description, it is assumed that a cooling operation is assumed unless otherwise specified.
[0030]
In FIG. 2, the evaporator 11, the compressor 12, and the condenser 13 each have a cylindrical outer shape, and are arranged in a line in the order of the evaporator 11, the compressor 12, and the condenser 13 according to the flow direction of the refrigerant. In this example, these are arranged in a line in the vertical direction, and an evaporator 11 is provided above the compressor 12, and a condenser 13 is provided below the compressor 12.
[0031]
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an example of the configuration of the compressor 12.
In FIG. 3, the compressor 12 includes a multi-stage (four-stage in this example) centrifugal compressor, and includes a rotating shaft 20 and a plurality of stages mounted on the rotating shaft 20 and arranged in multiple stages in the axial direction of the rotating shaft 20. The apparatus includes an impeller 21, a casing 22 that rotatably supports the rotating shaft 20 and surrounds the plurality of impellers 21, and a driving device 23 for driving the rotating shaft 20. Further, the casing 22 has a diffuser 24 for converting velocity energy into pressure energy, and a return as a flow path for guiding a working gas (refrigerant gas; steam in this example, steam) from the impeller 21 at the preceding stage to the impeller 21 at the subsequent stage. A channel 25 is provided. In the present example, a built-in type electric motor (built-in motor) is used as the driving device 23, and the size is reduced.
[0032]
When the driving device 23 rotates the rotating shaft 20, the working gas flows into the compressor 12 through the inlet 25. The working gas is moved circumferentially and outwardly by the rotation of the impeller 21 and enters the diffuser 24, where it is compressed to increase the pressure. The compressed working gas is guided to the impeller 21 of the next stage through the return channel 25, and thereafter the working gas is compressed in each stage in the same manner. By repeating the compression over a plurality of stages, the pressure of the working gas is increased to a desired compression ratio (about 10 in this example). Then, the working gas is discharged from the compressor 12 through the outlet 26.
[0033]
Here, the inlet portion 25 and the outlet portion 26 of the working gas are respectively coaxial with the rotating shaft 20 and are separately arranged on both sides of the shaft end of the rotating shaft 20. That is, in the compressor 12, the working gas flows in from one shaft end of the rotating shaft 20, and the working gas is discharged from the other shaft end. Further, an inlet 25 of the compressor 12 is connected to an outlet 27 of the evaporator 11, and an outlet 26 of the compressor 12 is connected to an inlet 28 of the condenser 13. More specifically, the inlet portion 25 and the outlet portion 26 of the compressor 12 have a flange structure, and are formed so that the working gas passes through an opening at the center of the axial center. The inlet 25 of the compressor 12 and the outlet 27 of the evaporator 11 are directly connected to each other via a flange. Similarly, the outlet 26 of the compressor 12 and the inlet 28 of the condenser 13 are connected via the flange. Are directly connected to each other.
[0034]
In this configuration, since the outlet 27 of the evaporator 11 is directly connected to the inlet 25 of the compressor 12, and the outlet 26 of the compressor 12 is directly connected to the inlet 28 of the condenser 13, The evaporator 11, the compressor 12, and the condenser 13 have a so-called integrally connected structure, and the pipe between the evaporator 11 and the compressor 12, and the pipe between the compressor 12 and the condenser 13 are formed. It has been substantially omitted. Therefore, the size of the device can be reduced. The openings of the inlet portion 25 and the outlet portion 26 of the compressor 12 are on the axis of the rotating shaft 20, and the working gas condenses the openings from the evaporator 11 toward the compressor 12 or from the compressor 12. Flows in the axial direction of the rotating shaft 20 toward the container 13. That is, in the compressor 12, in the flow of the working gas flowing into or out of the compressor 12, there is almost no bent flow path, and the pressure loss is small.
[0035]
In the compressor 12, the opening area of the inlet 25 and the outlet 26 can be increased by the above-described direct connection structure. That is, since piping between devices is omitted, there is almost no structural restriction due to piping at this portion. Therefore, in the compressor 12, a sufficient flow passage cross-sectional area can be secured by increasing the opening area, and it is possible to cope with a large flow rate of vapor compression.
[0036]
Note that the compressor 12 may be configured to cool the working gas flowing through the flow path between the stages (return channel 25) (intermediate stage cooling). Interstage cooling is performed, for example, by adding a cooling medium to the working gas flowing through the return channel 25 or by exchanging heat between the working gas flowing through the return channel 25 and another refrigerant. Is to lower the temperature. The intermediate stage cooling can improve the compression efficiency and reduce the compression power.
[0037]
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating an example of the configuration of the evaporator 11. In each of the following figures, the temperature shown in the figures shows an example of the refrigerant temperature in each part when a water refrigerant is used.
The evaporator 11 in FIG. 4 is a direct contact type evaporator. That is, the evaporator 11 includes a storage unit 30 for storing a low-temperature and low-pressure refrigerant liquid (water), a pump 31 for circulating the refrigerant liquid in the storage unit 30, and a heat exchanger 32 for absorbing heat from the room. A spray nozzle 33 for spraying the refrigerant liquid whose temperature has been raised by the heat exchanger 32 into the storage section 30, and an evaporation promoting member 34 for promoting the evaporation of the liquid refrigerant from the spray nozzle 33. .
[0038]
In the evaporator 11, the refrigerant liquid from the condenser 13 is stored in the storage unit 30, and then circulated by the pump 31. The internal space of the storage unit 30 is in a saturated state of the refrigerant liquid (water), and the refrigerant liquid that has absorbed heat from the room and has increased in temperature is sprayed into the storage unit 30 through the spray nozzle 33, The refrigerant liquid evaporates in the internal space of the storage unit 30. In the direct contact type evaporator, the pressure loss is small, and the refrigerant liquid can be effectively evaporated. The evaporation promoting member 34 is a member for adhering the refrigerant liquid from the spray nozzle 33 to the surface to promote the evaporation of the refrigerant liquid (flowing film system), and has a large surface area (evaporation area). It is formed.
[0039]
FIG. 5 and FIG. 6 are views showing an example of the form of the evaporation promoting member 34.
In FIG. 5, the evaporation promoting member 34 has, for example, (a) a net shape, (b) a flat plate shape, (c) a corrugated plate shape, and (d) a perforated plate shape so that the refrigerant liquid adheres to the surface in a film shape. (E.g., a plate-shaped member having a large number of holes), (e) a cloth plate (a plate-shaped member with cloth attached), and the like.
[0040]
In FIG. 6, the evaporation promoting member 34 has, for example, an overall shape of (a) a plurality of plate members arranged at intervals, (b) a winding shape, and (c) a diameter. Are formed in a form in which a plurality of different cylindrical members are concentrically arranged, and in a form such as (d) a lattice form. By combining the forms shown in FIG. 5 and FIG. 6, the surface area to which the refrigerant liquid adheres becomes large in a limited space, for example, the refrigerant liquid becomes a film on the surface of the evaporation promoting member 34, and the refrigerant liquid evaporates. Promotes.
[0041]
Returning to FIG. 4, the evaporated refrigerant gas (steam) flows toward the compressor 12 via a suction port 35 provided at a position higher than the liquid level in the storage unit 30. The evaporator 11 of the present example has an advantage that the pressure loss with respect to the flow of the evaporated refrigerant gas (steam) is small because the refrigerant liquid evaporates in the internal space of the storage unit 30.
[0042]
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating another example of the configuration of the evaporator 11.
The evaporator 11 in FIG. 7 is an indirect partition type evaporator. That is, the evaporator 11 is configured to store the low-temperature and low-pressure refrigerant liquid (water), the storage unit 40, the pump 41 for circulating the refrigerant liquid in the storage unit 40, and to spray the refrigerant liquid in the storage unit 40. And an evaporating pipe 43 arranged in the refrigerant liquid stored in the storage part 40 and through which a refrigerant containing indoor heat flows.
[0043]
In the evaporator 11, the refrigerant liquid from the condenser 13 is stored in the storage unit 40, circulated by the pump 41, and sprayed through the spray nozzle 42 in the internal space of the storage unit 40. The internal space of the storage section 40 is in a saturated state of the refrigerant liquid (water), and absorbs indoor heat through the evaporating pipe 43, so that the refrigerant liquid whose temperature has increased evaporates. The evaporation pipe 43 is formed to have a large surface area (evaporation area) in order to promote evaporation of the refrigerant liquid.
[0044]
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the configuration of the evaporating tube 43.
In FIG. 8, the evaporating tube 43 includes (a) a base tube (normal surface), (b) a netted tube having a net-like member disposed on the surface, and (c) a grooved groove having a large number of grooves formed on the surface. It is formed in the form of a tube, (d) a fin tube in which many fins are embedded, and the like. With this configuration, the surface area (heat transfer area) of the evaporation pipe 43 is large, and heat exchange between the indoor refrigerant and the refrigerant liquid in the storage section 40 via the evaporation pipe 43 is promoted.
[0045]
Returning to FIG. 7, the evaporated refrigerant gas (steam) flows toward the compressor 12 via a suction port 45 provided at a position higher than the liquid level in the storage section 40. The evaporator 11 of this example has an advantage that the pressure loss with respect to the flow of the evaporated refrigerant gas is small because the refrigerant liquid evaporates in the internal space of the storage unit 40 as in the example of FIG.
[0046]
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating an example of the configuration of the condenser 13.
The condenser 13 in FIG. 9 is a direct contact type condenser. That is, the condenser 13 includes a storage part 50 for storing the condensed refrigerant liquid (water), a pump 51 for circulating the refrigerant liquid in the storage part 50, and a cooler 52 for cooling the condensed refrigerant liquid. (Air-cooled heat exchanger), a spray nozzle 53 for spraying the refrigerant liquid whose temperature has been lowered by the cooler 52 in the storage unit 50, and condensation promotion for promoting the condensation of the refrigerant gas in the storage unit 50. A member 54 is provided.
[0047]
The refrigerant liquid (water) in the storage unit 50 is cooled by the cooler 52 and sprayed in the internal space of the storage unit 50 via the spray nozzle 53. The high-temperature and high-pressure refrigerant gas (water vapor) from the compressor 12 is cooled and condensed by, for example, contacting the refrigerant liquid sprayed from the spray nozzle 53. In the direct contact type condenser, the pressure loss is small and the refrigerant gas can be effectively condensed. The condensation accelerating member 54 is for adhering the refrigerant liquid from the spray nozzle 53 to the surface to accelerate the condensation of the refrigerant gas in contact with the surface.
[0048]
FIG. 10 is a diagram showing an example of the form of the condensation promoting member 54.
In FIG. 10, the condensation promoting member 54 is made of, for example, (a) a mesh, (b) metal cotton, or the like. The condensation promoting member 54 having such a configuration holds the refrigerant liquid and does not easily become a resistance to the flow of the refrigerant gas. Therefore, condensation of the refrigerant can be promoted without greatly increasing the pressure loss.
[0049]
FIG. 11 is a diagram schematically illustrating another example of the configuration of the condenser 13.
The condenser 13 in FIG. 11 is a liquid column condenser (one form of a direct contact type). That is, the condenser 13 includes a storage section 55 for storing the condensed refrigerant liquid (water), a pump 56 for circulating the refrigerant liquid in the storage section 55, and a cooler 57 for cooling the condensed refrigerant liquid. (Air-cooled heat exchanger), and a pipe group 58 for causing the refrigerant liquid whose temperature has dropped by the cooler 57 to flow down in the storage section 55 in a columnar manner. The tube group 58 has, for example, a structure in which a plurality of tubes are arranged as shown in a perspective view of FIG. 11B. Each tube has a plurality of holes 58a for discharging a refrigerant liquid. I have. In this example, only the plurality of holes 58a are provided on the peripheral surface of each tube, and no spray nozzle is attached.
[0050]
The refrigerant liquid (water) in the storage section 55 is cooled by the cooler 57 and flows down in a columnar manner in the internal space of the storage section 55 via the tube group 58. The high-temperature and high-pressure refrigerant gas (steam) from the compressor 12 is cooled and condensed by contacting the refrigerant liquid flowing down from the tube group 58 or the like. In the liquid column type condenser, in addition to the advantages of the direct contact type described above, (a) the structure is simple and the cost is easily reduced, and (b) the diameter and flow velocity of the liquid column or the spatial density of the liquid column are adjusted. (C) Condensation performance comparable to that of a spray type can be obtained despite a simple structure. This liquid column type structure can be applied to an evaporator. By using the same type of condenser and evaporator, a mass production effect can be expected.
[0051]
FIG. 12 is a diagram schematically showing another example of the configuration of the condenser 13.
The condenser 13 in FIG. 12 is an indirect partition type condenser. That is, the condenser 13 includes a storage part 60 that stores the condensed refrigerant liquid (water), a condenser pipe 61 that is disposed in a space of the storage part 60 and through which a predetermined refrigerant flows, and a refrigerant pipe that flows through the condenser pipe 61. Circulating pump 62 and a cooler 63 (air-cooled heat exchanger) for cooling the refrigerant flowing through the condenser tube 61.
[0052]
In the condenser 13, the high-temperature and high-pressure refrigerant gas (water vapor) from the compressor 12 is cooled and condensed by heat exchange with the refrigerant flowing through the condenser pipe 61. Although the temperature of the refrigerant flowing through the condenser tube 61 increases due to heat exchange with the refrigerant gas, the refrigerant is cooled by the cooler 63. As the condensation tube 61, in order to promote the condensation of the refrigerant gas, various forms formed to have a large surface area (evaporation area) are applied similarly to the evaporation tube 43 shown in FIG.
[0053]
FIGS. 13, 14, and 15 show examples of the arrangement of the heat pump 14 described above.
As described above, in the heat pump 14 of this example, the evaporator 11, the compressor 12, and the condenser 13 are arranged in a line in the vertical direction. That is, the evaporator 11, the compressor 12, and the condenser 13 are vertically arranged. Therefore, in the heat pump 14, the foot space of the unit including the evaporator 11, the compressor 12, and the condenser 13 is reduced.
[0054]
Here, in the heat pump 14 of the present embodiment, a cooler 16 for cooling the refrigerant liquid condensed in the condenser 13 is provided separately from the condenser 13. That is, in this example, the condenser 13 mainly condenses the high-temperature and high-pressure refrigerant gas from the compressor 12, and the cooler 16 is mainly configured to cool the condensed refrigerant liquid. In this configuration, since the cooler 16 requiring a large heat transfer area is provided separately from the condenser 13, the unit composed of the evaporator 11, the compressor 12, and the condenser 13 can be made compact. .
[0055]
In this case, one unit may be arranged for one cooler 16, or a plurality of units may be arranged for one cooler. FIG. 13 is a view showing a state in which one unit (evaporator 11, compressor 12, condenser 13) is arranged for one cooler 16, and FIGS. FIG. 3 is a diagram showing a state in which a plurality of (here, three) units are arranged. Reference numeral 31 denotes an evaporator circulating pump (see FIG. 4) for circulating the refrigerant liquid in the compressor 12 via a heat exchanger 32 for heat exchange with a room, and reference numeral 51 denotes a condenser 13. A condenser circulating pump (see FIG. 9) for sending the condensed refrigerant liquid to the evaporator 11 via the cooler 16, and reference numeral 16a denotes an air cooling fan.
[0056]
In the example of FIG. 13, one heat pump unit U1 (evaporator 11, compressor 12, condenser 13) is arranged for one cooler 16. The cooler 16 is arranged so as to surround the unit U1, the circulation pumps 31, 51, and the heat exchanger 32. With this configuration, effective utilization of foot space is achieved while securing a large heat transfer area.
[0057]
In the example of FIG. 14, three heat pump units U1, U2, and U3 (evaporator 11, compressor 12, and condenser 13) are provided for one cooler 16. The three heat pump units U1, U1, U3 are arranged side by side in a row in the horizontal direction, and the cooler 16 is arranged so as to surround these three units and the devices associated therewith. In this configuration, one cooler 16 can be shared by three units U1, U2, and U3, while securing a large heat transfer area in the cooler 16. By sharing the cooler, the piping can be simplified and the cost can be reduced.
[0058]
In the example of FIG. 15, three heat pump units U1, U2, and U3 are provided for one cooler 16, as in the example of FIG. In the example of FIG. 15, the cooler 16 is disposed separately from the three heat pump units U1, U2, and U3. For example, the heat pump units U1, U2, and U3 are disposed at positions near the room to be air-conditioned, and the cooler 16 is disposed on the roof. With this configuration, the installation space can be effectively used, and the piping design can be easily optimized.
[0059]
In the embodiment described above, the evaporator is provided above the compressor, and the condenser is provided below the compressor. However, the heat pump of the present invention may have a configuration in which a condenser is provided above a compressor and an evaporator is provided below. Here, advantages of each of these configurations will be described with reference to FIGS. In addition, the temperature written in the figure is an example of the refrigerant temperature in each part when a water refrigerant is used.
[0060]
As shown in FIG. 16A, a heat pump having a configuration in which an evaporator is provided above a compressor and a condenser is provided below the compressor has, for example, the following advantages.
(1) When water is used as the refrigerant, the boiling under reduced pressure of the refrigerant in the pump for the evaporator is stably avoided. That is, when a water refrigerant is used, the inside of the evaporator is saturated at a negative pressure (for example, 0.009 ata). Therefore, a pump for the evaporator that sucks a fluid (refrigerant) therefrom is depressurized and boiled on the suction side. Although the pump may cause vapor clogging (vapor lock) and the flow rate may decrease significantly, the evaporator is located at the top and the evaporator pump is installed at the bottom. Boiling under reduced pressure is stably avoided.
(2) The reliability of the compressor is improved. That is, in this configuration, since the pressure of the lower condenser (for example, 0.1 ata) is high and the pressure of the upper evaporator (for example, 0.009 ata) is low, the thrust of the compressor is increased from bottom to top. Works. On the other hand, the weight of the shaft and the rotor of the compressor acts from top to bottom. Since both act in the canceling direction, the load on the thrust bearing is reduced, and the reliability of the compressor is improved.
[0061]
On the other hand, as shown in FIG. 16B, a heat pump having a configuration in which a condenser is provided above a compressor and an evaporator is provided below has the following advantages.
(1) When water is used as the refrigerant, the depressurized boiling of the refrigerant in the condenser pump is stably avoided. That is, when water is used as the refrigerant, the inside of the condenser is saturated with a negative pressure (for example, 0.1 ata). Therefore, the pump for the condenser that suctions the fluid (refrigerant) therefrom has a reduced pressure boiling at the suction side. Although the pump may cause vapor clogging (vapor lock) and the flow rate may decrease significantly, the condenser is arranged at the top, and the pump for the evaporator is installed at the bottom, so that the pressure head for the condenser The boiling under reduced pressure by the pump is stably avoided.
(2) The pressure loss is reduced. That is, since the pressure of the evaporator (for example, 0.009 ata) is lower than the pressure of the condenser (for example, 0.1 ata), the volume flow rate of the refrigerant gas is increased (for example, 0.1 / 0.009). = 11 times). When this gas flows from the lower evaporator to the compressor, a return passage such as a condenser is not required, and the gas velocity can be kept low, so that a pressure loss there is small. The pressure loss is effective by the square of the flow velocity.
[0062]
As described above, the preferred embodiments according to the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but it is needless to say that the present invention is not limited to such examples. The shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described examples are merely examples, and can be variously changed based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
[0063]
【The invention's effect】
According to the heat pump of the present invention, by reducing the pressure loss of the refrigerant, it is possible to reduce the size of the apparatus even when using a refrigerant that requires a high compression ratio, such as water.
Further, according to the heat utilization device of the present invention, energy efficiency can be improved by reducing the pressure loss of the refrigerant.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a heat pump of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram schematically showing an embodiment in which the heat pump of the present invention is applied to an air conditioner.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an example of a configuration of a compressor.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating an example of a configuration of an evaporator.
FIG. 5 is a view showing an example of a form of an evaporation promoting member.
FIG. 6 is a view showing an example of a form of an evaporation promoting member.
FIG. 7 is a diagram schematically showing another example of the configuration of the evaporator.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a form of an evaporating tube.
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating an example of a configuration of a condenser.
FIG. 10 is a diagram showing an example of a form of a condensation promoting member.
FIG. 11 is a diagram schematically showing another example of the configuration of the condenser.
FIG. 12 is a view schematically showing another example of the configuration of the condenser.
13A and 13B are diagrams illustrating an example of the arrangement of a heat pump, wherein FIG. 13A is a plan view and FIG. 13B is a side view.
14A and 14B are diagrams illustrating an example of the arrangement of a heat pump, wherein FIG. 14A is a plan view and FIG. 14B is a side view.
FIGS. 15A and 15B are diagrams illustrating an arrangement example of a heat pump, wherein FIG. 15A is a plan view and FIG. 15B is a side view.
FIG. 16 is a diagram illustrating advantages related to the arrangement of the evaporator, the compressor, and the condenser.
[Explanation of symbols]
1, 14: heat pump, 2, 11: evaporator, 3, 12: compressor, 3c, 20: rotary shaft, 4, 13: condenser, 10: air conditioner (heat utilization device), 15: expansion valve, 16 ... cooler, 23 ... drive device.

Claims

蒸発器と、圧縮機と、凝縮器とを備えるヒートポンプにおいて、
前記蒸発器、前記圧縮機、及び前記凝縮器が、冷媒の流れ方向に従って一列に配列されていることを特徴とするヒートポンプ。In a heat pump including an evaporator, a compressor, and a condenser,
The heat pump, wherein the evaporator, the compressor, and the condenser are arranged in a line in a flow direction of the refrigerant.

前記蒸発器の冷媒出口部と前記圧縮機の冷媒入口部とが対向して配置され、前記圧縮機の冷媒出口部と前記凝縮器の冷媒入口部とが対向して配置さ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。A refrigerant outlet of the evaporator and a refrigerant inlet of the compressor are arranged to face each other, and a refrigerant outlet of the compressor and a refrigerant inlet of the condenser are arranged to face each other. The heat pump according to claim 1, wherein

前記蒸発器、前記圧縮機、及び前記凝縮器が、前記圧縮機の回転軸と同軸上に配置されている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。The heat pump according to claim 1, wherein the evaporator, the compressor, and the condenser are arranged coaxially with a rotation axis of the compressor.

前記蒸発器、前記圧縮機、及び前記凝縮器が、鉛直方向に一列に配列されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかに記載のヒートポンプ。The heat pump according to any one of claims 1 to 3, wherein the evaporator, the compressor, and the condenser are arranged in a line in a vertical direction.

前記圧縮機は、多段圧縮機であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれかに記載のヒートポンプ。The heat pump according to any one of claims 1 to 4, wherein the compressor is a multi-stage compressor.

冷媒が水であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれかに記載のヒートポンプ。The heat pump according to any one of claims 1 to 5, wherein the refrigerant is water.

前記蒸発器は、直接接触式の蒸発器からなることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれかに記載のヒートポンプ。The heat pump according to any one of claims 1 to 6, wherein the evaporator comprises a direct contact evaporator.

前記凝縮器は、直接接触式の凝縮器からなることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれかに記載のヒートポンプ。The heat pump according to any one of claims 1 to 7, wherein the condenser comprises a direct contact condenser.

熱源との間で熱の授受を行う熱利用装置であって、
請求項１から請求項８のうちのいずれかに記載のヒートポンプを備えることを特徴とする熱利用装置。A heat utilization device that exchanges heat with a heat source,
A heat utilization device comprising the heat pump according to any one of claims 1 to 8.