JP2010164216A - 高温型ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】高い出力温度を有するヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】高温型ヒートポンプシステムは、第１流体が流れ、吸熱部（１１）、圧縮部（１２）、放熱部（１３）、及び膨張部（１４）を含むヒートポンプ（１０）を備える第１ユニット（１０）と、第２流体が流れる経路（２２）を含み、第１流体からの伝達熱を受けた第２流体が出力される第２ユニット（２０）と、を備える。ヒートポンプ（１０）は、放熱部（１３）からの第１流体が少なくとも一時的に貯溜され、気相の第１流体が圧縮部（１２）に供給される中間部（４０）と、中間部（４０）に向かう第１流体及び中間部（４０）からの第１流体の少なくとも一方からの熱が、圧縮部（１２）に向かう第１流体及び圧縮部（１２）の途中の第１流体の少なくとも一方に伝わる中間熱交換部（４１）と、をさらに含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温型ヒートポンプシステムに関する。

従来より、ヒートポンプシステムにおける熱媒体の出力温度は、４０〜５０℃が一般的である。出力温度が高いシステムとしては、ボイラで燃料を燃焼させて被加熱流体を加熱する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−２４９４５０号公報

近年、ボイラを有するシステムの代替などのために、高い出力温度を有するヒートポンプシステムが求められている。

本発明は、高い出力温度を有するヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、第１流体が流れ、吸熱部、圧縮部、放熱部、及び膨張部を含むヒートポンプを備える第１ユニットと、第２流体が流れる経路を含み、前記第１流体からの伝達熱を受けた前記第２流体が出力される第２ユニットと、を備え、前記ヒートポンプは、前記放熱部からの前記第１流体が少なくとも一時的に貯溜され、気相の前記第１流体が前記圧縮部に供給される中間部と、前記中間部に向かう前記第１流体及び前記中間部からの前記第１流体の少なくとも一方からの熱が、前記圧縮部に向かう前記第１流体及び前記圧縮部の途中の前記第１流体の少なくとも一方に伝わる中間熱交換部と、をさらに含む、高温型ヒートポンプシステムが提供される。

本発明の態様によれば、中間熱交換部において、比較的高温を有する第１流体からの熱が、圧縮部に向かう第１流体及び圧縮部の途中の第１流体の少なくとも一方に伝わり、その結果、第２流体を安定的に高温加熱することが可能となる。

第１実施形態を示す概略図である。 第２実施形態を示す概略図である。 第３実施形態を示す概略図である。 第４実施形態を示す概略図である。 第５実施形態を示す概略図である。 第６実施形態を示す概略図である。 第７実施形態を示す概略図である。 第８実施形態を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、第１実施形態にかかる高温型ヒートポンプシステムＳ１を示す概略図である。図１において、ヒートポンプシステムＳ１は、作動流体（作動媒体、第１流体）が流れるヒートポンプ１０（第１ユニット）と、被加熱流体（被加熱媒体、第２流体）の供給ユニット２０（第２ユニット）と、制御装置７０とを備える。制御装置７０は、システム全体を統括的に制御する。システムＳ１の構成は、システムＳ１の設計要求に応じて様々に変更可能である。

本実施形態において、被加熱流体は水である。他の実施形態において、被加熱流体として、他の媒体が適用可能である。被加熱流体の他の例として、高圧水（圧縮水）、低粘性オイル（例えば、シリコンオイル、プロピレングリコールなど）などを使用することができる。

本実施形態において、供給ユニット２０は被加熱流体が流れる経路（導管２２）を有し、供給源から供給ユニット２０に被加熱流体が供給される。供給ユニット２０からの被加熱流体（水）の出力温度（取り出し温度）は、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、又は１５０℃以上である。例えば、大気圧下で水が１００℃以上に加熱されることにより、供給ユニット２０から１００℃以上の蒸気が出力される。なお、本実施形態において、必要に応じて、低い出力温度（７０℃未満）の被加熱流体を取り出すことが可能である。

ヒートポンプ１０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。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少ないという利点を有する。

本実施形態において、ヒートポンプ１０は、吸熱部１１、圧縮部１２、放熱部１３、及び膨張部１４を有し、これらは導管を介して接続されている。本実施形態において、ヒートポンプ１０はさらに、中間部４０と、中間熱交換部４１とを含む。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。

吸熱部１１では、作動流体がサイクル外の熱源の熱を吸収する。本実施形態において、吸熱部１１は、外部装置９０の放熱管９１に熱的に接続され、その内部で作動流体が蒸発する蒸発器を含む。放熱管９１を流れる媒体（冷媒など）の熱がヒートポンプ１０の吸熱部１１に吸収される。熱源として、外部装置９０の排熱を利用することも可能である。吸熱部１１が大気など他の熱源の熱を吸収する構成とすることもできる。

本実施形態において、吸熱部１１は、作動流体の液相が存在する領域と、作動流体の気相が存在する領域とを有する。外部装置９０の放熱管９１は液相の領域に配置される。代替的又は追加的に、吸熱部１１が散液構造を有することができる。

圧縮部１２は、圧縮機等によって作動流体を圧縮する。この際、通常、作動流体の温度が上がる。圧縮部１２は、作動流体を単段又は複数段に圧縮する構造を有する。圧縮の段数は、システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部１２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。圧縮部１２の圧縮比（圧力比）は、システムＳ１の仕様に応じて設定される。

本実施形態において、圧縮部１２は、第１圧縮部１２Ａと第２圧縮部１２Ｂとを含む２段圧縮構造を有する。ヒートポンプ１０に使用される作動流体として、フロン系媒体（ＨＦＣ ２４５ｆａ、Ｒ１３４ａなど）、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体がシステムＳ１の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。本実施形態において、作動流体としてＲ１３４ａを使用する場合、第１圧縮部１２Ａは、吸熱部１１からの低圧のＲ１３４ａを中間圧に昇圧する。第２圧縮部１２Ｂは、第１圧縮部１２Ａ及び中間部４０からのＲ１３４ａを高圧（超臨界圧領域を含む）に昇圧する。なお、本発明は、作動流体の少なくとも一部が超臨界状態になる仕様、及び作動流体が超臨界状態にならない仕様の双方が適用可能である。

放熱部１３では、主経路１５内を流れる作動流体の熱をサイクル外の熱源に与える。本実施形態において、放熱部１３は、供給ユニット２０に熱的に接続され、その内部で作動流体が放熱し、液相となる。

本実施形態において、作動流体としてＲ１３４ａを使用する場合、超臨界状態及び液相のＲ１３４ａと供給ユニット２０を流れる水との間で熱交換が行われ、供給ユニット２０から過熱蒸気が出力される。

本実施形態において、放熱部１３は、気相（または超臨界状態）の作動流体が存在する領域と、液相の作動流体が存在する領域とを有する。供給ユニット２０の導管２２は、両領域にわたって配置される。代替的又は追加的に、放熱部１３が散液構造を有することができる。

膨張部１４は、減圧弁またはタービン等によって作動流体を膨張させる。この際、通常、作動流体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部１４から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部１２に供給してもよい。

本実施形態において、膨張部１４は、高圧膨張弁２４と低圧膨張弁２５とを含む。高圧膨張弁２４は、放熱部１３と中間部４０とを流体的に接続する導管２６上に配置され、放熱部１３からの高圧の作動流体を中間圧に減圧する。より具体的には、高圧膨張弁２４の配設位置は、導管２６上であって、中間部４０における作動流体の入口の手前である。高圧膨張弁２４は、作動流体の流量を制御することもできる。

低圧膨張弁２５は、中間部４０と吸熱部１１とを流体的に接続する導管２７上に配置され、中間部４０からの作動流体を低圧に減圧する。より具体的には、低圧膨張弁２５の配設位置は、導管２７上であって、吸熱部１１における作動流体の入口の手前である。低圧膨張弁２５も、作動流体の流量を制御することもできる。

中間部４０は、中間圧に減圧された作動流体を気相と液相に分離するとともに、作動流体を少なくとも一時的に貯溜する。中間部４０からの気相の作動流体が導管２３を介して圧縮部１２に注入される。また、中間部４０からの液相の作動流体が導管２７を介して吸熱部１１に導かれる。

中間熱交換部４１は、比較的高温を有する作動流体の熱の一部を、圧縮部１２に供給される作動流体に与えるためのものである。本実施形態においては、中間熱交換部４１において、放熱部１３からの作動流体と、中間部４０から圧縮部１２に向かう作動流体との間で熱交換が行われる。以後の説明において、これらの間の熱交換機能を有する中間熱交換部を「第１中間熱交換部」と適宜称する。

本実施形態において、第１中間熱交換部４１は、中間部４０の一部（気相部）とヒートポンプ１０の主経路１５の導管の一部（放熱部１３と中間部４０との間の導管２６の一部）とが熱的に接続された構成を有する。本実施形態において、中間部４０の内部空間における気相領域に、導管２６の一部が配置されている。第１中間熱交換部４１は、高温の流体（導管２６内の作動流体）と低温の流体（中間部４０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、第１中間熱交換部４１は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。

第１中間熱交換部４１は、プレート式熱交換構造、フィン・アンド・チューブ式熱交換構造など、様々な熱交換構造を適用可能である。

上記構成のヒートポンプシステムＳ１において、ヒートポンプ１０が運転されると、ヒートポンプ１０から供給された熱により供給ユニット２０を流れる水が加熱され、その結果、高温の水又は蒸気が供給ユニット２０から出力される。

以下、ヒートポンプシステムＳ１の動作について説明する。
ヒートポンプ１０において、圧縮部１２が駆動される。第１圧縮部１２Ａは、作動流体を中間圧まで圧縮する。第２圧縮部１２Ｂは、第１圧縮部１２Ａからの作動流体及び中間部４０からの作動流体を高圧まで圧縮する。

圧縮部１２からの圧縮された作動流体は、放熱部１３に供給される。放熱部１３において、作動流体からの熱が供給ユニット２０の導管２２を流れる被加熱流体（水）に伝わる。供給ユニット２０から、高温に昇温した水又は蒸気が出力される。作動流体と被加熱媒体との間の熱交換に伴い、放熱部１３の内部において、作動流体の一部が液相になる。

放熱部１３からの液相の作動流体は、高圧膨張弁２４により中間圧まで減圧される。高圧膨張弁２４の開度が制御されることにより、放熱部１３の液面レベルが制御可能である。

高圧膨張弁２４からの減圧された作動流体は、中間部４０に流入する。中間部４０において、作動流体が気相及び液相に分離される。中間部４０からの気相の作動流体は、導管２３を介して、圧縮部１２の途中（第１圧縮部１２Ａと第２圧縮部１２Ｂとの段間）に供給される。

中間部４０からの液相の作動流体は、低圧膨張弁２５により低圧まで減圧される。低圧膨張弁２５の開度が制御されることにより、中間部４０の液面レベルが制御可能である。

中間部４０からの減圧された作動流体は、吸熱部１１に供給される。吸熱部１１において、サイクル外からの媒体の熱が作動流体に伝わる。サイクル外の媒体と作動流体との間の熱交換に伴い、吸熱部１１の内部において、作動流体の一部が蒸発する。吸熱部１１からの気相の作動流体は、圧縮部１２に供給される。このようにして、上述のサイクルが繰り返される。

本実施形態において、作動流体として、Ｒ１３４ａを使用した場合には、放熱部１３において、Ｒ１３４ａからの熱が供給ユニット２０内の被加熱流体（水）に伝わり、１２０℃程度の過熱蒸気が生成可能である。Ｒ１３４ａ（ＨＦＣ１３４ａ）の臨界点の温度は、水の標準沸点である１００℃の近傍であり、圧縮部１２からのＲ１３４ａの出力温度は１５０℃程度に設定可能である。そのため、Ｒ１３４ａは、被加熱媒体が水であるヒートポンプサイクルの作動流体として好適である。また、圧縮部１２からのＲ１３４ａの出力温度が１５０℃程度に設定されることにより、その圧力が４ＭＰａ程度に比較的低く抑えられる。これは、装置コスト低減の上で有利である。

本実施形態において、第１中間熱交換部４１において、比較的高温を有する放熱部１３からの作動流体からの熱が、中間部４０から圧縮部１２の段間に向かう作動流体に伝わる。その結果、圧縮部１２の段間（第２圧縮部１２Ｂの入口）に注入される作動流体が加熱される。注入流体の温度が上昇すると、圧縮部１２からの作動流体の出力温度も上昇する。したがって、本実施形態によれば、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。

なお、中間部４０から圧縮部１２の段間に向かう作動流体の加熱は、作動流体の余剰熱のリカバーに効果的であり、その結果、エネルギー効率としての成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）の向上に有利であることが確かめられている。

本実施形態において、第１中間熱交換部４１において中間部４０から圧縮部１２の段間に向かう作動流体を加熱することで圧縮部１２からの作動流体の出力温度も上昇する。この結果、温熱出力を有効に増加することができる（圧縮機動力の増加を上回る出力の増加が得られる）。

本実施形態において、第１中間熱交換部４１は、中間部４０の内部における気相の作動流体を加熱する。第１中間熱交換部４１と中間部４０とが実質的に一体化されることは、装置のコンパクト化の点で有利である。なお、代替的に、中間部４０と第１中間熱交換部４１とを実質的に分けることもできる。

次に、本発明の第２実施形態について図２を参照して説明する。

図２は、第２実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ２を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図２に示すように、ヒートポンプシステムＳ２は、第１中間熱交換部４１に加えて、比較的高温を有する作動流体の熱の一部を、圧縮部１２に供給される作動流体に与える２つの中間熱交換部４２、４３を備える。

まず、中間熱交換部４２において、放熱部１３からの作動流体と、吸熱部１１から圧縮部１２に向かう作動流体との間で熱交換が行われる。以後の説明において、これらの間の熱交換機能を有する中間熱交換部を「第２中間熱交換部」と適宜称する。

本実施形態において、第２中間熱交換部４２は、吸熱部１１の一部（気相部）とヒートポンプ１０の主経路１５の導管の一部（放熱部１３と中間部４０との間の導管２６の一部）とが熱的に接続された構成を有する。本実施形態において、吸熱部１１の内部空間における気相領域に、導管２６の一部が配置されている。第２中間熱交換部４２は、高温の流体（導管２６内の作動流体）と低温の流体（吸熱部１１内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、第２中間熱交換部４２は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。

本実施形態において、第１中間熱交換部４１及び第２中間熱交換部４２の双方に放熱部１３と中間部４０とを流体的に接続する導管２６の一部が配置される。すなわち、第１中間熱交換部４１に配置される導管２６と、第２中間熱交換部４２に配置される導管２６とは流体的につながっている。放熱部１３からの液相の作動流体は、先に第１中間熱交換部４１に配置された導管２６を流れ、その後に、第２中間熱交換部４２に配置された導管２６を流れる。また、第２中間熱交換部４２からの作動流体は、高圧膨張弁２４を介して、中間部４０に導かれる。

次に、中間熱交換部４３において、中間部４０からの作動流体と、吸熱部１１から圧縮部１２に向かう作動流体との間で熱交換が行われる。以後の説明において、これらの間の熱交換機能を有する中間熱交換部を「第３中間熱交換部」と適宜称する。

本実施形態において、第３中間熱交換部４３は、吸熱部１１の一部（気相部）とヒートポンプ１０の主経路１５の導管の一部（中間部４０と吸熱部１１との間の導管２７の一部）とが熱的に接続された構成を有する。本実施形態において、吸熱部１１の内部空間における気相領域に、導管２７の一部が配置されている。第３中間熱交換部４３は、高温の流体（導管２７内の作動流体）と低温の流体（吸熱部１１内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、第３中間熱交換部４３は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。

第２及び第３中間熱交換部４２、４３は、プレート式熱交換構造、フィン・アンド・チューブ式熱交換構造など、様々な熱交換構造を適用可能である。

上記構成のヒートポンプシステムＳ２においては、第１中間熱交換部４１に加えて、２つの中間熱交換部（第２中間熱交換部４２、及び第３中間熱交換部４３）が設けられており、第１、第２、及び第３中間熱交換部４１、４２、４３のそれぞれにおいて、作動流体の余剰熱が有効利用される。

第３中間熱交換部４３において、比較的高温を有する中間部４０からの作動流体からの熱が、吸熱部１１から圧縮部１２に向かう作動流体に伝わる。さらに、第２中間熱交換部４２において、比較的高温を有する放熱部１３（第１中間熱交換部４１からの作動流体）からの熱が、吸熱部１１から圧縮部１２に向かう作動流体に伝わる。

その結果、圧縮部１２の段間（第２圧縮部１２Ｂの入口）に注入される作動流体が加熱されるとともに、圧縮部１２（第１圧縮部１２Ａ）の入口に導入される作動流体が加熱される。注入流体及び導入流体の温度（圧縮部１２における作動流体の入口温度）が上昇すると、圧縮部１２からの作動流体の出力温度も上昇する。したがって、本実施形態によれば、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。

本実施形態において、第３中間熱交換部４３において、中間部４０からの作動流体の熱が奪われるから、低圧膨張弁２５及び吸熱部１１に対する作動流体の入力温度が降下する。その結果、作動流体の液ガス比の最適化が図られ、吸熱部１１においてサイクル外の熱源から有効に熱が吸収される。

本実施形態において、第２及び第３中間熱交換部４２、４３は、吸熱部１１の内部における気相の作動流体を加熱する。第２及び第３中間熱交換部４２、４３と吸熱部１１とが実質的に一体化されることは、装置のコンパクト化の点で有利である。なお、代替的に、吸熱部１１と第２及び第３中間熱交換部４２、４３とを実質的に分けることもできる。

次に、本発明の第３実施形態について図３を参照して説明する。

図３は、第３実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ３を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図３に示すように、ヒートポンプシステムＳ３において、ヒートポンプ１０の放熱部１３が、主放熱部１３Ａと、補放熱部１３Ｂとを含む。

本実施形態において、主放熱部１３Ａと補放熱部１３Ｂとは互いに隣接して配置される。主放熱部１３Ａの下流位置に補放熱部１３Ｂが配置される。主放熱部１３Ａと補放熱部１３Ｂとは互いに流体的につながっている。主放熱部１３Ａからの作動流体が、補放熱部１３Ｂに導入される。

主放熱部１３Ａは、供給ユニット２０に熱的に接続される。本実施形態において、主放熱部１３Ａは、気相（または超臨界）の作動流体が存在する領域と、液相の作動流体が存在する領域とを有する。供給ユニット２０の導管２２Ａは、主放熱部１３Ａの両領域にわたって配置される。代替的又は追加的に、主放熱部１３Ａが散液構造を有することができる。

補放熱部１３Ｂも、供給ユニット２０に熱的に接続される。本実施形態において、液相の作動流体が存在する領域を有する。供給ユニット２０の導管２２Ｂは、主放熱部１３Ａの液相領域に配置される。

本実施形態において、主放熱部１３Ａは、高温の流体（主放熱部１３Ａ内の作動流体）と低温の流体（導管２２Ａ内の被加熱流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、主放熱部１３Ａは、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。同様に、主放熱部１３Ｂは、向流型の熱交換構造又は並行流型の熱交換構造を有することができる。

主放熱部１３Ａでの作動流体と被加熱流体（水）との間の熱交換に伴い、主放熱部１３Ａで作動流体の熱の一部が奪われる。そのため、補放熱部１３Ｂにおける作動流体の温度は、主放熱部１３Ａにおける作動流体の温度に比べて低い。

本実施形態において、導管２２Ａと導管２２Ｂとは互いに流体的につながっている。供給源からの被加熱流体（水）は、先に導管２２Ｂを流れ、その後、導管２２Ａを流れる。したがって、被加熱流体は、主放熱部１３Ａでの比較的高熱での加熱の前に、補放熱部１３Ｂで比較的低熱で加熱（予熱）される。

上記構成のヒートポンプシステムＳ３においては、被加熱流体は、補放熱部１３Ｂにおいて比較的低温加熱され、主放熱部１３Ａにおいて比較的高温加熱される。補放熱部１３Ｂにおける予熱により、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。すなわち、本実施形態において、第１、第２、及び第３中間熱交換部４１、４２、４３、及び補放熱部１３Ｂのそれぞれにおいて、作動流体の余剰熱が有効利用される。

次に、本発明の第４実施形態について図４を参照して説明する。

図４は、第４実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ４を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図４に示すように、ヒートポンプシステムＳ４において、ヒートポンプ１０は、主放熱部１３Ａからの作動流体が補放熱部１３Ｂを迂回して第１中間熱交換部４１に向かう分岐部５０をさらに含む。

本実施形態において、主放熱部１３Ａと補放熱部１３Ｂとの間に分岐部５０が設けられる。分岐部５０の第１出口は、補放熱部１３Ｂに流体的に接続される。分岐部５０の第２出口は、導管２６を介して、第１中間熱交換部４１に流体的に接続される。主放熱部１３Ａからの作動流体の一部は、補放熱部１３Ｂを流れた後、補低圧膨張弁２８を介して吸熱部１１に導入される。主放熱部１３Ａからの作動流体の残りは、第１中間熱交換部４１、第２中間熱交換部４２、中間部４０、及び第３中間熱交換部４３の順に流れ、その後、低圧膨張弁２５を介して吸熱部１１に導入される。分岐部５０は、例えば、分岐配管、及び各分岐流量を制御する流量制御弁などを含むことができる。

上記構成のヒートポンプシステムＳ４においては、第１、第２、及び第３中間熱交換部４１、４２、４３、及び補放熱部１３Ｂのそれぞれにおいて、作動流体の余剰熱が有効利用される。さらに、本実施形態によれば、分岐部５０を介して主放熱部１３Ａからの作動流体が分岐されることにより、余剰熱の適切な配分が可能となる。

本実施形態において、所定のセンサの出力に基づいて、各分岐流量を制御する構成を採用することができる。例えば、吸熱部１１に供給される外部からの熱量に関する情報（例えば、吸熱部１１に供給される熱媒体の温度及び／又は流量に関する情報）が制御装置７０に送られる。制御装置７０は、少なくともその情報に基づき、分岐流量を制御する流量制御弁を駆動する。熱配分のための情報は、吸熱部１１からの情報に限定されず、例えば、供給ユニット２０からの出力温度に関する情報など他の情報が利用可能である。制御装置７０は、補放熱部１３Ｂ、中間熱交換部（第１、第２、及び第３中間熱交換部４１、４２、４３）における必要熱を決定し、決定された各必要熱に応じて流量制御弁を駆動して分岐流量比を制御する。熱配分により、ヒートポンプシステムＳ４の熱バランスの最適化が可能となる。なお、追加的に、より細かく熱配分を制御するために、分岐部５０以外の箇所で作動流体の流量を制御する構成を採用することができる。

ここで、上記したシステムにおける熱効率について評価を行った。数値計算により、図１に示したヒートポンプシステムＳ１において、第１中間熱交換部４１は、ＣＯＰを約２％向上させることが確認された。図２に示したヒートポンプシステムＳ２において、第３中間熱交換部４３は、ＣＯＰを約５％向上させることが確認された。第１中間熱交換部４１と第３中間熱交換部４３との組み合わせは、ＣＯＰを約６％向上させ、また、第１中間熱交換部４１、第２中間熱交換部４２、及び第３中間熱交換部４３の組み合わせは、ＣＯＰを約５％向上させることが確認された。所定の条件下において、図２に示すヒートポンプシステムＳ２は、ＣＯＰが３．４程度を達成することが可能であることが確認された。

次に、本発明の第５実施形態について図５を参照して説明する。

図５は、第５実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ５を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図５に示すように、ヒートポンプシステムＳ５において、供給ユニット２０における経路２０は、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａ、１３Ｂに熱的に接続される第１経路（導管２２Ａ、導管２２Ｂ）に加え、ヒートポンプ１０の圧縮部１２の途中に熱的に接続される第２経路（導管２９）を含む。

本実施形態において、供給源からの被加熱流体（水）は、導管２２Ｂを流れて補放熱部１３Ｂで予熱され、その後、分岐部５１で分岐される。分岐部５１の第１出口は、主放熱部１３Ａと熱的に接続された導管２２Ａに流体的に接続される。分岐部５１の第２出口は、圧縮部１２に熱的に接続された導管２９に流体的に接続される。補放熱部１３Ｂによって予熱された被加熱流体の一部は、主放熱部１３Ａによって比較的高温加熱される。予熱された残りの被加熱流体は、圧縮部１２の段間における作動流体からの熱を受けて比較的高温加熱される。

上記構成のヒートポンプシステムＳ５においては、ヒートポンプ１０の圧縮部１２の段間における作動流体が冷却可能である。第２圧縮部１２Ｂの入力温度が抑えられることにより、第２圧縮部１２Ｂの圧縮効率の向上が図られる。つまり、作動流体の圧縮過程における作動流体の温度上昇が抑制される結果、圧縮部１２の圧縮効率の向上及び圧縮機の動力の低減化が図られる。また、段間冷却は、上記の圧縮効率の向上に加え、ヒートポンプ１０を流れる作動流体が圧縮によって過度に温度上昇するのを防止する。放熱温度が適切に制御されることで、ヒートポンプ１０の放熱部１３と被加熱流体（水）との間の熱伝達効率の向上が図られる。すなわち、適切に制御された熱を水に供給することができる。

次に、本発明の第６実施形態について図６を参照して説明する。

図６は、第６実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ６を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図６に示すように、ヒートポンプシステムＳ６において、ヒートポンプ１０の圧縮部１２は、第１圧縮部１２Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、第３圧縮部１２Ｃ、及び第４圧縮部１２Ｄを含む４段圧縮構造を有する。これに応じて、ヒートポンプ１０は、３つの高圧膨張弁２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、３つの中間部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、３つの第１中間熱交換部４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、及び３つの第２中間熱交換部４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを含む。また、供給ユニット２０は、ヒートポンプ１０の圧縮部１２に熱的に接続される３つの導管２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃを含む。

上記構成のヒートポンプシステムＳ６においては、ヒートポンプ１０の圧縮部１２が４段圧縮構造を有しており、供給ユニット２０からの被加熱流体の出力温度の向上が可能である。また、システムＳ６は、作動流体及び被加熱流体のルートの変更、各ルートにおける流量制御に関する多様な選択肢を有し、より適切な余剰熱の配分やシステム全体の熱バランスの向上が可能である。なお、代替的に、圧縮部１２の段数は、２及び４に限定されず、他の段数にできる。

次に、本発明の第７実施形態について図７を参照して説明する。

図７は、第７実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ７を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図７に示すように、ヒートポンプシステムＳ７は、第３中間熱交換部４３に加えて、比較的高温を有する作動流体の熱の一部を、圧縮部１２の途中の作動流体に与える中間熱交換部４４を備える。

中間熱交換部４４において、放熱部１３からの作動流体と、圧縮部１２の途中（第１圧縮部１２Ａと第２圧縮部１２Ｂとの段間）の作動流体との間で熱交換が行われる。以後の説明において、これらの間の熱交換機能を有する中間熱交換部を「第４中間熱交換部」と適宜称する。

本実施形態において、第４中間熱交換部４４は、圧縮部１２の段間部とヒートポンプ１０の主経路１５の導管の一部（放熱部１３と中間部４０との間の導管６０の一部）とが熱的に接続された構成を有する。第４中間熱交換部４４は、向流型の熱交換構造又は並行流型の熱交換構造を有することができる。

第４中間熱交換部４４は、プレート式熱交換構造、フィン・アンド・チューブ式熱交換構造など、様々な熱交換構造を適用可能である。

上記構成のヒートポンプシステムＳ７においては、第３中間熱交換部４３に加えて、第４中間熱交換部４４が設けられており、第３及び第４中間熱交換部４３、４４のそれぞれにおいて、作動流体の余剰熱が有効利用される。

第４中間熱交換部４４において、比較的高温を有する放熱部１３からの作動流体からの熱が、圧縮部１２の段間における作動流体に伝わる。さらに、第３中間熱交換部４３において、比較的高温を有する中間部４０からの作動流体からの熱が、吸熱部１１から圧縮部１２に向かう作動流体に伝わる。

その結果、圧縮部１２の段間（第２圧縮部１２Ｂの入口）に注入される作動流体が加熱されるとともに、圧縮部１２（第１圧縮部１２Ａ）の入口に導入される作動流体が加熱される。注入流体及び導入流体の温度（圧縮部１２における作動流体の入口温度）が上昇すると、圧縮部１２からの作動流体の出力温度も上昇する。したがって、本実施形態によれば、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。

本実施形態において、第４中間熱交換部４４において、中間部４０からの作動流体の熱が奪われるから、低圧膨張弁２５及び吸熱部１１に対する作動流体の入力温度が降下する。その結果、作動流体の液ガス比の最適化が図られ、吸熱部１１においてサイクル外の熱源から有効に熱が吸収される。なお、追加的に、必要に応じて、上述した第１中間熱交換部、及び第２中間熱交換部少なくとも１つを含む構成を採用することができる。

次に、本発明の第８実施形態について図８を参照して説明する。

図８は、第８実施形態にかかるヒートポンプシステムＳ８を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

ヒートポンプシステムＳ８は、図７に示したヒートポンプシステムＳ７の変形例である。図８に示すように、ヒートポンプシステムＳ８において、ヒートポンプ１０の放熱部１３が、主放熱部１３Ａと、補放熱部１３Ｂとを含む。

本実施形態において、主放熱部１３Ａと補放熱部１３Ｂとは互いに隣接して配置される。主放熱部１３Ａの下流位置に補放熱部１３Ｂが配置される。主放熱部１３Ａと補放熱部１３Ｂとは互いに流体的につながっている。主放熱部１３Ａからの作動流体が、補放熱部１３Ｂに導入される。

主放熱部１３Ａは、供給ユニット２０に熱的に接続される。本実施形態において、主放熱部１３Ａは、気相（または超臨界）の作動流体が存在する領域と、液相の作動流体が存在する領域とを有する。供給ユニット２０の導管２２Ａは、主放熱部１３Ａの両領域にわたって配置される。代替的又は追加的に、主放熱部１３Ａが散液構造を有することができる。

補放熱部１３Ｂも、供給ユニット２０に熱的に接続される。本実施形態において、液相の作動流体が存在する領域を有する。供給ユニット２０の導管２２Ｂは、主放熱部１３Ａの液相領域に配置される。

本実施形態において、主放熱部１３Ａは、高温の流体（主放熱部１３Ａ内の作動流体）と低温の流体（導管２２Ａ内の被加熱流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、主放熱部１３Ａは、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。同様に、主放熱部１３Ｂは、向流型の熱交換構造又は並行流型の熱交換構造を有することができる。

主放熱部１３Ａでの作動流体と被加熱流体（水）との間の熱交換に伴い、主放熱部１３Ａで作動流体の熱の一部が奪われる。そのため、補放熱部１３Ｂにおける作動流体の温度は、主放熱部１３Ａにおける作動流体の温度に比べて低い。

本実施形態において、導管２２Ａと導管２２Ｂとは互いに流体的につながっている。供給源からの被加熱流体（水）は、先に導管２２Ｂを流れ、その後、導管２２Ａを流れる。したがって、被加熱流体は、主放熱部１３Ａでの比較的高熱での加熱の前に、補放熱部１３Ｂで比較的低熱で加熱（予熱）される。

上記構成のヒートポンプシステムＳ８においては、被加熱流体は、補放熱部１３Ｂにおいて比較的低温加熱され、主放熱部１３Ａにおいて比較的高温加熱される。補放熱部１３Ｂにおける予熱により、被加熱媒体を安定的に高温加熱することが可能となる。すなわち、本実施形態において、第３、及び第４中間熱交換部４３、４４、及び補放熱部１３Ｂのそれぞれにおいて、作動流体の余剰熱が有効利用される。

上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８…ヒートポンプシステム、１０…ヒートポンプ、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１２Ａ…第１圧縮部、１２Ｂ…第２圧縮部、１３…放熱部、１３Ａ…主放熱部、１３Ｂ…補放熱部、１４…膨張部、１５…主経路、２０…供給ユニット、２４…高圧膨張弁（膨張部）、２５…低圧膨張弁（膨張部）、２８…補低圧膨張弁（膨張部）、４０…中間部、４１…第１中間熱交換部、４２…第２中間熱交換部、４３…第３中間熱交換部、４４…第４中間熱交換部、５０，５１…分岐部、７０…制御装置。

Claims (10)

1. 第１流体が流れ、吸熱部、圧縮部、放熱部、及び膨張部を含むヒートポンプを備える第１ユニットと、
   第２流体が流れる経路を含み、前記第１流体からの伝達熱を受けた前記第２流体が出力される第２ユニットと、を備え、
   前記ヒートポンプは、
   前記放熱部からの前記第１流体が少なくとも一時的に貯溜され、気相の前記第１流体が前記圧縮部に供給される中間部と、
   前記中間部に向かう前記第１流体及び前記中間部からの前記第１流体の少なくとも一方からの熱が、前記圧縮部に向かう前記第１流体及び前記圧縮部の途中の前記第１流体の少なくとも一方に伝わる中間熱交換部と、をさらに含む、
   ことを特徴とする高温型ヒートポンプシステム。
2. 前記中間熱交換部は、前記放熱部からの前記第１流体の少なくとも一部からの熱が、前記中間部から前記圧縮部に向かう前記第１流体に伝わる第１中間熱交換部を含むことを特徴とする請求項１に記載の高温型ヒートポンプシステム。
3. 前記中間熱交換部は、前記放熱部からの前記第１流体の少なくとも一部からの熱が、前記吸熱部から前記圧縮部に向かう前記第１流体に伝わる第２中間熱交換部をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の高温型ヒートポンプシステム。
4. 前記中間熱交換部は、その一部が前記第１中間熱交換部及び前記第２中間熱交換部に配置される導管であって、前記第１中間熱交換部から前記第２中間熱交換部に向けて、前記放熱部からの前記第１流体の少なくとも一部が流れる前記導管をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の高温型ヒートポンプシステム。
5. 前記中間熱交換部は、前記中間部からの前記第１流体の少なくとも一部からの熱が、前記吸熱部から前記圧縮部に向かう前記第１流体に伝わる第３中間熱交換部をさらに含むことを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の高温型ヒートポンプシステム。
6. 前記放熱部は、主放熱部と、前記主放熱部からの前記第１流体が流れ、前記第２流体を予熱する補放熱部とを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の高温型ヒートポンプシステム。
7. 前記ヒートポンプは、前記主放熱部からの前記第１流体の少なくとも一部が前記補放熱部を迂回して前記中間部又は前記中間熱交換部に向かう分岐部をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の高温型ヒートポンプシステム。
8. 前記第２ユニットにおける前記経路は、前記ヒートポンプの前記放熱部に熱的に接続される第１経路と、前記ヒートポンプの前記圧縮部に熱的に接続される第２経路とを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の高温型ヒートポンプシステム。
9. 前記中間熱交換部は、前記放熱部からの前記第１流体の少なくとも一部からの熱が、前記圧縮部の途中の前記第１流体に伝わる第４中間熱交換部をさらに含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の高温型ヒートポンプシステム。
10. 前記第２ユニットからの前記第２流体の出力温度は、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、又は１５０℃以上である、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の高温型ヒートポンプシステム。

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