JP2005164104A - Heat pump equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】ボルテックスチューブの機能を有効に利用し、ヒートポンプの高効率化や被加熱流体の高温化が図られるヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ装置は、圧縮機1を第一放熱器2の入口側に接続し、ボルテックスチューブ3の冷媒供給口3cを第一放熱器2の出口側に接続し、ボルテックスチューブ3の高温側出口3aを第二放熱器4から第二絞り装置7を介して蒸発器6の入口側に接続し、ボルテックスチューブ3の低温側出口3bを第一絞り装置5を介して蒸発器6の入口側に接続して構成され、ボルテックスチューブ3内の冷媒を超臨界状態で作動するように両絞り装置を制御するとともに、第一放熱器2に加えて第二放熱器4で水回路9を流れる被加熱流体(例えば、水)を加熱して、より高温の湯を得るものである。
【選択図】 図1Provided is a heat pump device that effectively uses the function of a vortex tube to increase the efficiency of a heat pump and to increase the temperature of a fluid to be heated.
A heat pump device connects a compressor (1) to an inlet side of a first radiator (2), connects a refrigerant supply port (3c) of the vortex tube (3) to an outlet side of the first radiator (2), and heats the vortex tube (3) at a high temperature. The side outlet 3 a is connected from the second radiator 4 to the inlet side of the evaporator 6 via the second throttle device 7, and the low temperature side outlet 3 b of the vortex tube 3 is connected to the inlet of the evaporator 6 via the first throttle device 5. The throttle device is controlled so that the refrigerant in the vortex tube 3 operates in a supercritical state, and flows in the water circuit 9 by the second radiator 4 in addition to the first radiator 2. A heated fluid (for example, water) is heated to obtain hotter hot water.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、ボルテックスチューブを用いたヒートポンプ装置に関する。 The present invention relates to a heat pump apparatus using a vortex tube.
従来、この種のヒートポンプ装置としては、例えば、特許文献1に示されているような冷凍装置がある。図4は、従来のヒートポンプ装置の回路構成図である。
図4において、圧縮機41、凝縮器42、ボルテックスチューブ43および蒸発器44を順次接続して冷媒循環回路Aを構成するとともに、ボルテックスチューブ43の冷媒供給口43aを凝縮器42の出口側冷媒配管45に、またボルテックスチューブ43の高温側出口43bを圧縮機41の中間圧部41aに、さらにボルテックスチューブ43の低温側出口43cを蒸発器44の入口側冷媒配管47にそれぞれ接続している。また、ボルテックスチューブ43の高温側出口43bの冷媒配管49の途中に逆止弁48が設けられている。
図4に示す従来のヒートポンプ装置において、圧縮機41から吐出されたガス冷媒は、凝縮器42において熱交換されて高温液冷媒とされ、ボルテックスチューブ43の冷媒供給口43aに供給される。そして、該ボルテックスチューブ43に供給された高温液冷媒は、ボルテックスチューブ43内において高温冷媒と低温冷媒とに分離される。そして、高温冷媒は上記圧縮機41の中間圧部41aに再供給される一方、低温冷媒は蒸発器44へ供給される。
また、上記ボルテックスチューブ43においては等エントロピー膨張に近い冷媒膨張が得られ、従って、蒸発器44における蒸発能力が増大するとともに凝縮器42における放熱量が増大することとなり、圧縮機の仕事量を増大させることなく冷凍能力を大幅に向上させることができるヒートポンプ装置が開示されている。
In FIG. 4, a
In the conventional heat pump apparatus shown in FIG. 4, the gas refrigerant discharged from the
Further, in the
ところが、上記構成のヒートポンプ装置では、ボルテックスチューブには凝縮器で凝縮された高温の液冷媒が供給される。
本来、ボルテックスチューブは圧縮性のある気体を冷媒供給口から導入し、ボルテックスチューブの管内壁接線方向に加圧冷媒を噴射すると、同冷媒が渦流をなして、管内を旋回することにより断熱圧縮され、高エネルギーの熱い冷媒分子は管内周辺に集まり、断熱膨張した低エネルギーの冷たい冷媒分子は管内中央部に集まって2層に分かれて相互に逆方向に流れるので、冷媒を冷熱2つの成分に分離することができるものであり、上記従来例のように、冷媒供給口から液冷媒が導入された場合には、液冷媒が非圧縮性であるため、ボルテックスチューブ内で断熱圧縮、膨張が行われず、本来の役目をなさないという不具合点が出ていた。
そして、上記従来のヒートポンプ装置をヒートポンプ給湯機に適用した場合は、被加熱流体の水の温度が高くならないという課題もあった。
However, in the heat pump apparatus having the above-described configuration, the high-temperature liquid refrigerant condensed by the condenser is supplied to the vortex tube.
Originally, a vortex tube introduces a compressible gas from the refrigerant supply port, and when pressurized refrigerant is injected in the tangential direction of the inner wall of the vortex tube, the refrigerant forms a vortex and is adiabatically compressed by swirling in the tube. , High energy hot refrigerant molecules gather around the pipe, adiabatic expansion of low energy cold refrigerant molecules gathers in the center of the pipe, divides into two layers and flows in opposite directions, separating the refrigerant into two components When the liquid refrigerant is introduced from the refrigerant supply port as in the above-described conventional example, the liquid refrigerant is incompressible, so that adiabatic compression and expansion are not performed in the vortex tube. There was a defect that it did not play its original role.
And when the said conventional heat pump apparatus was applied to the heat pump water heater, there also existed a subject that the temperature of the water of the to-be-heated fluid did not become high.
したがって本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、ボルテックスチューブの機能を有効に利用し、ヒートポンプの高効率化や被加熱流体の高温化に寄与できるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a heat pump device that can effectively use the function of a vortex tube and contribute to higher efficiency of a heat pump and higher temperature of a fluid to be heated. To do.
請求項1記載の本発明のヒートポンプ装置は、少なくとも圧縮機、第一の放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を接続して冷媒循環回路を構成したヒートポンプ装置であって、第二の放熱器を設け、前記圧縮機を前記第一の放熱器に接続し、前記第一の放熱器を前記ボルテックスチューブの冷媒供給口に接続し、前記ボルテックスチューブの高温側出口を前記第二の放熱器に接続し、前記第二の放熱器を前記蒸発器に接続し、前記ボルテックスチューブの低温側出口を前記蒸発器に接続し、前記蒸発器を前記圧縮機に接続して前記冷媒循環回路を構成したことを特徴とする。
請求項2記載の本発明は、請求項1に記載のヒートポンプ装置において、前記低温側出口と前記蒸発器との間に、第一の絞り装置を設けたことを特徴とする。
請求項3記載の本発明は、請求項1または請求項2に記載のヒートポンプ装置において、前記第二の放熱器と前記蒸発器との間に、第二の絞り装置を設けたことを特徴とする。
請求項4記載の本発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記低温側出口と前記蒸発器との間に、第三の放熱器を設けたことを特徴とする。
請求項5記載の本発明のヒートポンプ装置は、少なくとも圧縮機、ボルテックスチューブ、第一の放熱器、第二の放熱器および蒸発器を接続して冷媒循環回路を構成したヒートポンプ装置であって、前記圧縮機を前記ボルテックスチューブの冷媒供給口に接続し、前記ボルテックスチューブの高温側出口を前記第一の放熱器に接続し、前記第一の放熱器を前記第二の放熱器に接続し、前記ボルテックスチューブの低温側出口を前記第二の放熱器に接続し、前記第二の放熱器を前記蒸発器に接続し、前記蒸発器を前記圧縮機に接続して前記冷媒循環回路を構成したことを特徴とする。
請求項6記載の本発明は、請求項5に記載のヒートポンプ装置において、前記第二の放熱器と前記蒸発器との間に、絞り装置を設けたことを特徴とする。
請求項7記載の本発明は、請求項1から請求項6のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記冷媒供給口に流入する冷媒を超臨界状態とする構成にしたことを特徴とする。
請求項8記載の本発明は、請求項1から請求項7のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記冷媒供給口、前記高温側出口及び前記低温側出口を流れる冷媒を超臨界状態とする構成にしたことを特徴とする。
請求項9記載の本発明は、請求項2から請求項4、あるいは請求項6のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記冷媒供給口、前記高温側出口及び前記低温側出口を流れる冷媒が超臨界状態で作動するように前記絞り装置を制御する絞り装置制御手段を設けたことを特徴とする。
請求項10記載の本発明は、請求項1から請求項9のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記放熱器において前記冷媒と熱交換する媒体として水を用いたことを特徴とする。
請求項11記載の本発明は、請求項1から請求項10のいずれかに記載のヒートポンプ装置において、前記冷媒循環回路を循環する冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とする。
The heat pump device of the present invention according to
According to a second aspect of the present invention, in the heat pump device according to the first aspect, a first expansion device is provided between the low temperature side outlet and the evaporator.
According to a third aspect of the present invention, in the heat pump device according to the first or second aspect, a second throttle device is provided between the second radiator and the evaporator. To do.
According to a fourth aspect of the present invention, in the heat pump device according to any one of the first to third aspects, a third radiator is provided between the low temperature side outlet and the evaporator. And
The heat pump device of the present invention according to
According to a sixth aspect of the present invention, in the heat pump device according to the fifth aspect, a throttling device is provided between the second radiator and the evaporator.
A seventh aspect of the present invention is the heat pump apparatus according to any one of the first to sixth aspects, wherein the refrigerant flowing into the refrigerant supply port is in a supercritical state.
The present invention according to claim 8 is the heat pump device according to any one of
According to a ninth aspect of the present invention, in the heat pump device according to any one of the second to fourth or sixth aspects, the refrigerant flowing through the refrigerant supply port, the high temperature side outlet, and the low temperature side outlet is excessive. A throttling device control means for controlling the throttling device to operate in a critical state is provided.
According to a tenth aspect of the present invention, in the heat pump device according to any one of the first to ninth aspects, water is used as a medium for exchanging heat with the refrigerant in the radiator.
The present invention according to
以上述べてきたように、本発明によれば、ボルテックスチューブで低エンタルピーとなった冷媒を蒸発器に流入させるので、蒸発器における外気との熱交換を容易にし、ヒートポンプの高効率化を可能とする効果がある。
また、ボルテックスチューブによって再び高温にした冷媒を第二の放熱器に流入させることにより、第二の放熱器における熱交換効率を向上させるとともに、第一の放熱器に加えて第二の放熱器で加熱し、ヒートポンプ給湯機の給湯温度を一段と上昇させることができる。
また、絞り装置によりボルテックスチューブにおける適正冷媒流量を制御できるので、種々の運転条件においても常に高効率な運転が可能となる。
また、ボルテックスチューブを常に超臨界で動作させるので、圧縮性のある超臨界冷媒によってボルテックスチューブを有効に作用させることができる。
また、冷媒として炭酸ガスを用いることにより、被加熱流体の高温化を高効率で実現すると共に、ボルテックスチューブ内の冷媒状態を容易に超臨界の状態とすることができ、かつ、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は少なくなるなどの効果がある。
As described above, according to the present invention, since the refrigerant having a low enthalpy in the vortex tube flows into the evaporator, heat exchange with the outside air in the evaporator is facilitated, and the efficiency of the heat pump can be increased. There is an effect to.
In addition, the heat exchange efficiency in the second radiator is improved by allowing the refrigerant, which has been heated again by the vortex tube, to flow into the second radiator, and in addition to the first radiator, It can heat and can raise the hot water supply temperature of a heat pump water heater further.
In addition, since the appropriate refrigerant flow rate in the vortex tube can be controlled by the expansion device, high-efficiency operation is always possible even under various operating conditions.
In addition, since the vortex tube is always operated in a supercritical state, the vortex tube can be effectively operated by a compressible supercritical refrigerant.
In addition, by using carbon dioxide as the refrigerant, it is possible to increase the temperature of the fluid to be heated with high efficiency, to easily change the refrigerant state in the vortex tube to a supercritical state, and the refrigerant to the outside. Even if leaked, the effect on global warming is reduced.
本発明の第1の実施の形態によるヒートポンプ装置は、第二の放熱器を設け、圧縮機を第一の放熱器に接続し、第一の放熱器をボルテックスチューブの冷媒供給口に接続し、ボルテックスチューブの高温側出口を第二の放熱器に接続し、第二の放熱器を蒸発器に接続し、ボルテックスチューブの低温側出口を蒸発器に接続し、蒸発器を圧縮機に接続して冷媒循環回路を構成したものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブで低温となり断熱膨張してエンタルピーの低くなった冷媒を低温側出口から蒸発器に流入させるので、蒸発器において外気などの熱源により容易に吸熱することができ、ヒートポンプの高効率化が可能となる。また、第一の放熱器を出た中温の冷媒を、ボルテックスチューブによって高温に上昇させて第二の放熱器に流入させることにより、第二の放熱器における熱交換効率を向上させることができるとともに、第一の放熱器に加えて第二の放熱器で水などの被加熱流体を加熱し、給湯温度を一段と上昇させることができる。
本発明の第2の実施の形態は、第1の実施の形態によるヒートポンプ装置において、低温側出口と蒸発器との間に、第一の絞り装置を設けたものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブの低温側出口から流出する冷媒流量を調整できるので、種々の運転条件によって適正な流量比調整を可能とし、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。
本発明の第3の実施の形態は、第1または第2の実施の形態によるヒートポンプ装置において、第二の放熱器と蒸発器との間に、第二の絞り装置を設けたものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブの高温側出口から流出する冷媒流量と低温側出口から流出する冷媒流量とを調整できるので、種々の運転条件によって適正な流量比調整を可能とし、より広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。
本発明の第4の実施の形態は、第1から第3の実施の形態によるヒートポンプ装置において、低温側出口と蒸発器との間に、第三の放熱器を設けたものである。本実施の形態によれば、第三の放熱器を設けたことにより、水などの被加熱流体温度が低い場合には、ボルテックスチューブの低温側出口から流出する冷媒を加熱源とすることができ、加熱能力を向上させることができる。
本発明の第5の実施の形態によるヒートポンプ装置は、圧縮機をボルテックスチューブの冷媒供給口に接続し、ボルテックスチューブの高温側出口を第一の放熱器に接続し、第一の放熱器を第二の放熱器に接続し、ボルテックスチューブの低温側出口を第二の放熱器に接続し、第二の放熱器を蒸発器に接続し、蒸発器を圧縮機に接続して冷媒循環回路を構成したものである。本実施の形態によれば、圧縮機で吐出された高温の冷媒ガスを、ボルテックスチューブでさらに高温にすることができ、水などの被加熱流体の温度を一段と上昇させることができる。
本発明の第6の実施の形態は、第5の実施の形態によるヒートポンプ装置において、第二の放熱器と蒸発器との間に、絞り装置を設けたものである。本実施の形態によれば、絞り装置を調整することにより、冷媒循環回路を流れる冷媒流量を調整することができ、種々の運転条件に対応した適正な流量調整を可能とし、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。
本発明の第7の実施の形態は、第1から第6の実施の形態によるヒートポンプ装置において、冷媒供給口に流入する冷媒を超臨界状態とする構成にしたものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブの冷媒供給口に流入する冷媒が超臨界状態で作動することになり、ボルテックスチューブ内で冷媒の圧縮膨張が容易になるため、ボルテックスチューブの高温側と低温側のエンタルピー差を大きくとることができ、ボルテックスチューブの高性能化が可能となる。
本発明の第8の実施の形態は、第1から第7の実施の形態によるヒートポンプ装置において、冷媒供給口、高温側出口及び低温側出口を流れる冷媒を超臨界状態とする構成にしたものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブ内の冷媒状態は常に単相の超臨界状態となり、ボルテックスチューブ内で冷媒の圧縮膨張が容易となるため、ボルテックスチューブの高温側と低温側のエンタルピー差を大きくとることができ、ボルテックスチューブのさらなる高性能化が可能となる。
本発明の第9の実施の形態は、第2から第4の実施の形態、あるいは第6の実施の形態によるヒートポンプ装置において、冷媒供給口、高温側出口及び低温側出口を流れる冷媒が超臨界状態で作動するように絞り装置を制御する絞り装置制御手段を設けたものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブ内で冷媒の圧縮膨張を容易に制御できるので、ヒートポンプ装置の高性能化が可能となる。
本発明の第10の実施の形態は、第1から第9の実施の形態によるヒートポンプ装置において、放熱器において冷媒と熱交換する媒体として水を用いたものである。本実施の形態によれば、冷媒と熱交換する媒体が水であるので、比熱が比較的大きいために熱交換効率が高くなり、高温給湯が可能となる。また、放熱器の小型化が可能となる。
本発明の第11の実施の形態は、第1から第10の実施の形態によるヒートポンプ装置において、冷媒循環回路を循環する冷媒として炭酸ガスを用いたものである。本実施の形態によれば、放熱器に入る冷媒温度がより高くなり、被加熱流体の高温化を高効率で実現すると共に、ボルテックスチューブ内に流入する冷媒の状態を容易に超臨界の状態とすることができ、ボルテックスチューブを有効に作用させることができる。また、万一、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は少なくなる。
The heat pump device according to the first embodiment of the present invention includes a second radiator, connects the compressor to the first radiator, connects the first radiator to the refrigerant supply port of the vortex tube, Connect the high temperature outlet of the vortex tube to the second radiator, connect the second radiator to the evaporator, connect the low temperature outlet of the vortex tube to the evaporator, and connect the evaporator to the compressor. A refrigerant circulation circuit is configured. According to the present embodiment, since the refrigerant that has become low temperature in the vortex tube and adiabatically expanded and has low enthalpy flows from the low temperature side outlet to the evaporator, it can be easily absorbed by a heat source such as outside air in the evaporator. The efficiency of the heat pump can be increased. In addition, the medium temperature refrigerant that has exited the first radiator can be raised to a high temperature by a vortex tube and flowed into the second radiator, thereby improving the heat exchange efficiency in the second radiator. In addition to the first radiator, a heated fluid such as water can be heated by the second radiator, and the hot water supply temperature can be further increased.
The second embodiment of the present invention is a heat pump device according to the first embodiment in which a first expansion device is provided between the low temperature side outlet and the evaporator. According to the present embodiment, the flow rate of refrigerant flowing out from the low temperature side outlet of the vortex tube can be adjusted, so that an appropriate flow rate ratio can be adjusted according to various operating conditions, and the efficiency of the heat pump can be increased over a wide operating range. Become.
In the heat pump device according to the first or second embodiment, the third embodiment of the present invention is provided with a second expansion device between the second radiator and the evaporator. According to the present embodiment, the flow rate of refrigerant flowing out from the high temperature side outlet of the vortex tube and the flow rate of refrigerant flowing out from the low temperature side outlet can be adjusted. The efficiency of the heat pump can be improved in the operating range.
In the fourth embodiment of the present invention, in the heat pump apparatus according to the first to third embodiments, a third radiator is provided between the low temperature side outlet and the evaporator. According to the present embodiment, by providing the third radiator, when the temperature of the fluid to be heated such as water is low, the refrigerant flowing out from the low temperature side outlet of the vortex tube can be used as the heating source. , Heating ability can be improved.
In the heat pump device according to the fifth embodiment of the present invention, the compressor is connected to the refrigerant supply port of the vortex tube, the high temperature side outlet of the vortex tube is connected to the first radiator, and the first radiator is connected to the first radiator. Connect to the second radiator, connect the low-temperature outlet of the vortex tube to the second radiator, connect the second radiator to the evaporator, connect the evaporator to the compressor, and configure the refrigerant circulation circuit It is a thing. According to the present embodiment, the high-temperature refrigerant gas discharged from the compressor can be further increased by the vortex tube, and the temperature of the fluid to be heated such as water can be further increased.
In the sixth embodiment of the present invention, in the heat pump apparatus according to the fifth embodiment, an expansion device is provided between the second radiator and the evaporator. According to the present embodiment, by adjusting the expansion device, the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant circulation circuit can be adjusted, and an appropriate flow rate adjustment corresponding to various operating conditions can be made, and the heat pump can be operated in a wide operating range. High efficiency can be achieved.
In the heat pump device according to the first to sixth embodiments, the seventh embodiment of the present invention is configured so that the refrigerant flowing into the refrigerant supply port is in a supercritical state. According to this embodiment, the refrigerant flowing into the refrigerant supply port of the vortex tube operates in a supercritical state, and the refrigerant is easily compressed and expanded in the vortex tube. The enthalpy difference on the side can be increased, and the performance of the vortex tube can be improved.
The eighth embodiment of the present invention is a heat pump device according to the first to seventh embodiments, in which the refrigerant flowing through the refrigerant supply port, the high temperature side outlet, and the low temperature side outlet is in a supercritical state. is there. According to this embodiment, the refrigerant state in the vortex tube is always a single-phase supercritical state, and the refrigerant is easily compressed and expanded in the vortex tube. Therefore, the enthalpy difference between the high temperature side and the low temperature side of the vortex tube is reduced. It is possible to increase the performance of the vortex tube.
In the ninth embodiment of the present invention, in the heat pump device according to the second to fourth embodiments or the sixth embodiment, the refrigerant flowing through the refrigerant supply port, the high temperature side outlet, and the low temperature side outlet is supercritical. A diaphragm control unit for controlling the diaphragm to operate in a state is provided. According to the present embodiment, since the compression and expansion of the refrigerant can be easily controlled in the vortex tube, it is possible to improve the performance of the heat pump device.
In the heat pump apparatus according to the first to ninth embodiments, the tenth embodiment of the present invention uses water as a medium for exchanging heat with the refrigerant in the radiator. According to the present embodiment, since the medium that exchanges heat with the refrigerant is water, the specific heat is relatively large, so that the heat exchange efficiency is high and high-temperature hot water supply is possible. Further, the radiator can be reduced in size.
In the eleventh embodiment of the present invention, in the heat pump apparatus according to the first to tenth embodiments, carbon dioxide is used as the refrigerant circulating in the refrigerant circuit. According to the present embodiment, the temperature of the refrigerant entering the radiator becomes higher, the temperature of the heated fluid is increased with high efficiency, and the state of the refrigerant flowing into the vortex tube can be easily changed to the supercritical state. The vortex tube can act effectively. Also, if the refrigerant leaks to the outside, the impact on global warming is reduced.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施例をヒートポンプ給湯機の例で説明するが、この実施例によって本発明が限定されるものではない。
図1は、本発明の第1の実施例におけるヒートポンプ装置の回路構成図である。
図1に示すヒートポンプ装置において、冷媒循環回路は、次のように冷媒配管で接続されて構成される。即ち、圧縮機1と第一放熱器2とは圧縮機吐出側配管31で接続され、第一放熱器2とボルテックスチューブ3の冷媒供給口3cとは第一放熱器2の出口側配管32で接続され、ボルテックスチューブ3の高温側出口3aと第二放熱器4とはこの第二放熱器4の入口側配管33で接続されている。そして、第二放熱器4と蒸発器6とは蒸発器入口側配管34で接続され、また、この蒸発器入口側配管34の途中に設けた第二絞り装置7を介して接続されている。更に、ボルテックスチューブ3の低温側出口3bと蒸発器6とは蒸発器入口側配管34で接続され、また、この蒸発器入口側配管34の途中に設けた第一絞り装置5を介して接続されている。
そして、第一絞り装置5及び第二絞り装置7を出て合流した冷媒は、蒸発器6から圧縮機吸入側配管35を経て圧縮機1へと帰還するヒートポンプサイクルを構成している。また、冷媒循環回路の内部には冷媒として炭酸ガスを封入している。また、蒸発器6は外気と熱交換するためにファン8によって外気を導入している。
一方、本実施例のヒートポンプ装置では、給湯用の水回路9が第一放熱器2及び第二放熱器4と熱交換するために設けられている。そして、水回路9を流れる被加熱流体としての水は、第二放熱器4から第一放熱器2の順に冷媒循環回路を流れる冷媒と、対向流で流れて熱交換するように構成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, although a present Example demonstrates by the example of a heat pump water heater, this invention is not limited by this Example.
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a heat pump device according to a first embodiment of the present invention.
In the heat pump apparatus shown in FIG. 1, the refrigerant circulation circuit is configured by being connected by refrigerant piping as follows. That is, the
And the refrigerant | coolant which came out of the
On the other hand, in the heat pump device of the present embodiment, a hot water supply water circuit 9 is provided to exchange heat with the
以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。
圧縮機1で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒(炭酸ガス)は、第一放熱器2で水回路9を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、ボルテックスチューブ3に流入する。
ボルテックスチューブ3においては、冷媒供給口3cより管内壁接線方向に超臨界の冷媒が噴射され、この冷媒が渦流となって管内を旋回することにより、エネルギーの高い高温の冷媒分子は管内壁側に集まり、エネルギーの低いより低温の冷媒分子は管内中央部に集まり、互いに分かれて管内で逆方向に流れ、冷媒を高温と低温の2つの成分に分離する。このボルテックスチューブ3は、回転部分がないので摩耗や洩れが少なく、構造が簡単で製作が容易で安価である。また長年月の使用によっても性能が変化しない利点がある。
About the heat pump apparatus comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
The refrigerant (carbon dioxide gas) compressed into the supercritical state of high temperature and high pressure by the
In the
そして、ボルテックスチューブ3で高温になった冷媒は、高温側出口3aから流出し、第二放熱器4に流入し、水回路9を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、第二絞り装置7で低温低圧の冷媒となる。
ボルテックスチューブ3で低温になった冷媒は、低温側出口3bから流出し、第一絞り装置5で低温低圧の冷媒となり、第二絞り装置7を出た冷媒と合流して蒸発器6に流入する。ここで、ファン8の回転により送風される外気と間接的に熱交換して自らは蒸発し、気体となって圧縮機1に再び吸入される。
このボルテックスチューブ3で低温となり、低温側出口3bから流出した冷媒は、断熱膨張してエンタルピーが減少しているため、外気との熱交換が容易になり、ヒートポンプの高効率化に繋がる利点がある。また、蒸発器6の大きさを小さくできる利点がある。
一方、水回路9の水は、まず第二放熱器4で熱交換して中温の湯となり、さらに第一放熱器2で高温の湯となって給湯に寄与する。即ち、第一放熱器2を出た中温の冷媒をボルテックスチューブ3で高温にして第二放熱器4に流入させるので、水回路9の水との温度差が大きくなって熱交換量が増加する。これにより、第二放熱器4における熱交換効率が向上するため、第一放熱器2に加えて第二放熱器4で熱交換して水の温度を上昇させることができ、より高温の湯を容易に得ることができる。また、同じ熱量を得るための熱交換器の大きさを小さくすることができる利点もある。
And the refrigerant | coolant which became high temperature by the
The refrigerant having a low temperature in the
The refrigerant that becomes low temperature in the
On the other hand, the water in the water circuit 9 first exchanges heat with the second radiator 4 to become medium-temperature hot water, and further becomes hot water with the
第一絞り装置5及び第二絞り装置7の開度を調整することにより、ボルテックスチューブ3の高温側出口3a及び低温側出口3bから流出する冷媒流量を調整できるので、種々の運転条件に対して適正な流量比調整を可能とし、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。例えば、第一絞り装置5及び第二絞り装置7を制御する絞り装置制御手段(図示せず)を設けて、ボルテックスチューブ3の冷媒供給口3c、高温側出口3a及び低温側出口3bに流れる冷媒が超臨界状態となるように制御するものである。この制御によってボルテックスチューブ3内の冷媒を常に圧縮性のある超臨界状態とすることができ、ボルテックスチューブ3を有効に作用させることができる。
また、冷媒として炭酸ガスを用いているため、第一放熱器2に流入させる冷媒の温度を高くすることができ、第一放熱器2で熱交換する水回路9の水温も高めることができる。また、第一放熱器2を出た冷媒は超臨界状態の単相流体であり、ボルテックスチューブ3の内部の冷媒も単相流となり、管内での旋回流を乱すことなく、容易に低温の冷媒分子と分かれて管内の逆方向流れを生じさせることができ、冷媒を高温と低温の2つの成分に容易に分離することができる。換言すれば、炭酸ガスを用いることにより、ボルテックスチューブ内を容易に超臨界の状態とすることができ、ボルテックスチューブを有効に作用させて、高温給湯を高効率で達成することができる。
By adjusting the opening degree of the
Moreover, since carbon dioxide is used as the refrigerant, the temperature of the refrigerant flowing into the
従って、本実施例のヒートポンプ装置によって、ボルテックスチューブの機能を有効に利用して、ヒートポンプの高効率化や被加熱流体の高温化に寄与できるヒートポンプ装置を提供することができる。
なお、本第1の実施例のヒートポンプ装置は、蒸発器入口側配管34の途中に第一絞り装置5及び第二絞り装置7をそれぞれに並設した構成であるが、第一絞り装置5及び第二絞り装置7の両方を削除した冷媒循環回路で構成するヒートポンプ装置(図示せず)でも良く、ヒートポンプの高効率化や第二放熱器4による被加熱流体の高温化などの効果が得られる。
また、第一絞り装置5または第二絞り装置7の少なくとも一方の絞り装置を設けた冷媒循環回路で構成するヒートポンプ装置(図示せず)であっても良く、被加熱流体の高温化が図られるとともに、低温側出口3bから流出する冷媒流量や高温側出口3aから流出する冷媒流量を調整できるので、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が図られる。
Therefore, the heat pump apparatus of the present embodiment can provide a heat pump apparatus that can contribute to higher efficiency of the heat pump and higher temperature of the fluid to be heated by effectively using the function of the vortex tube.
The heat pump device according to the first embodiment has a configuration in which the
Moreover, the heat pump apparatus (not shown) comprised with the refrigerant | coolant circulation circuit which provided at least one expansion apparatus of the
図2は、本発明の第2の実施例におけるヒートポンプ装置の回路構成図である。
図2に示すヒートポンプ装置において、冷媒循環回路は、次のように冷媒配管で接続されて構成される。即ち、圧縮機11と第一放熱器12とは圧縮機吐出側配管31で接続され、第一放熱器12とボルテックスチューブ13の冷媒供給口13cとは第一放熱器12の出口側配管32で接続され、ボルテックスチューブ13の高温側出口13aと第二放熱器14とはこの第二放熱器14の入口側配管33で接続されている。そして、第二放熱器14と蒸発器16とは蒸発器入口側配管34で接続され、また、この蒸発器入口側配管34の途中に設けた絞り装置15を介して接続されている。更に、ボルテックスチューブ13の低温側出口13bと第三放熱器17とはこの第三放熱器17の入口側配管36で接続され、第三放熱器17と蒸発器16とは蒸発器入口側配管34で接続され、また、この蒸発器入口側配管34の途中に設けた絞り装置15を介して接続されている。
そして、第二放熱器14及び第三放熱器17を出て合流した冷媒は、絞り装置15から蒸発器16、圧縮機吸入側配管35を経て、圧縮機11へと帰還するヒートポンプサイクルを構成している。また、冷媒循環回路の内部には冷媒として炭酸ガスを封入している。また、蒸発器16は外気と熱交換するためにファン18によって外気を導入している。
一方、本実施例では、給湯用の水回路19の水が、第一放熱器12、第二放熱器14及び第三放熱器17で冷媒と熱交換するために、第三放熱器17を出た後に分かれて、第二放熱器14及び第一放熱器12を並列に流れ、冷媒循環回路の冷媒と対向流で熱交換するように構成されている。
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of the heat pump apparatus in the second embodiment of the present invention.
In the heat pump apparatus shown in FIG. 2, the refrigerant circulation circuit is configured by being connected by refrigerant piping as follows. That is, the
And the refrigerant | coolant which came out of the
On the other hand, in this embodiment, the water in the hot water
以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。
圧縮機11で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒(炭酸ガス)は、第一放熱器12で水回路19を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、ボルテックスチューブ13に流入する。
ボルテックスチューブ13においては、冷媒供給口13cより管内壁接線方向に超臨界の冷媒が噴射され、この冷媒が渦流となって管内を旋回することにより、エネルギーの高い高温の冷媒分子は管内壁側に集まり、エネルギーの低いより低温の冷媒分子は管内中央部に集まり、互いに分かれて管内で逆方向に流れ、冷媒を高温と低温の2つの成分に分離する。このボルテックスチューブ13は、回転部分がないので摩耗や洩れが少なく、構造が簡単で製作が容易で安価である。また長年月の使用によっても性能が変化しない利点がある。
About the heat pump apparatus comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
The refrigerant (carbon dioxide gas) compressed into the supercritical state of high temperature and high pressure by the
In the
そして、ボルテックスチューブ13で高温になった冷媒は、高温側出口13aから流出し、第二放熱器14に流入し、水回路19を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、絞り装置15で低温低圧の冷媒となる。
ボルテックスチューブ13で低温になった冷媒は、低温側出口13bから流出して第三放熱器17に流入するが、いまだ熱交換する水よりも高い温度を持つため、第三放熱器17で水回路19を流れる水と熱交換し、自らはより低温の冷媒となる。
さらに、第三放熱器17を出てエンタルピーの低くなった冷媒は、第二放熱器14を出た冷媒と合流して、絞り装置15に流入し、低温低圧の冷媒となって蒸発器16に流入する。ここで、ファン18の回転により送風される外気と間接的に熱交換して自らは蒸発し、気体となって圧縮機11に再び吸入される。
このボルテックスチューブ13で低温となり、低温側出口13bから流出した冷媒は、断熱膨張してエンタルピーが減少し、さらに第三放熱器でエンタルピーが減少するため、外気との熱交換が容易になり、ヒートポンプの高効率化に繋がる利点がある。また、蒸発器16の大きさを小さくできる利点がある。
一方、水回路19の水は、まず第三放熱器17で熱交換して中温の湯となり、さらに分岐して並列に第二放熱器14及び第一放熱器12で熱交換して高温の湯となって給湯に寄与する。即ち、第一放熱器12を出た中温の冷媒をボルテックスチューブ13で高温にして第二放熱器14に流入させるので、水回路19の水との温度差が大きくなって熱交換量が増加する。これにより、第二放熱器14における熱交換効率が向上するため、第一放熱器12に加えて第二放熱器14で熱交換して、水の温度を上昇させることができ、より高温の湯を容易に得ることができる。また、同じ熱量を得るための熱交換器の大きさを小さくすることができる利点もある。
また、ボルテックスチューブ13でやや低温になった冷媒は、低温側出口13bから流出して第三放熱器17に流入し、ここで水回路19の水と熱交換するため、水の温度がやや上昇する。これにより、第三放熱器17は給湯能力の向上に寄与することができる。
And the refrigerant | coolant which became high temperature by the
The refrigerant having a low temperature in the
Further, the refrigerant having the low enthalpy exiting the
The refrigerant that becomes low temperature in the
On the other hand, the water in the
In addition, the refrigerant that has become a little lower temperature in the
絞り装置15の開度を調整することにより、冷媒循環回路を流れる冷媒流量を調整することができる。この調整によって、種々の運転条件に対応した適正な流量調整を可能とし、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。
また、冷媒として炭酸ガスを用いているため、第一放熱器12を出た冷媒は超臨界状態の単相流体であり、ボルテックスチューブ13の内部の冷媒も単相流となり、管内での旋回流を乱すことなく、容易に低温の冷媒分子と分かれて管内の逆方向流れを生じさせることができ、冷媒を高温と低温の2つの成分に容易に分離することができる。即ち、冷媒として炭酸ガスを用いることは、高温給湯を高効率で達成することができる利点に繋がる。
By adjusting the opening degree of the
In addition, since carbon dioxide is used as the refrigerant, the refrigerant exiting the
従って、本実施例のヒートポンプ装置によって、ボルテックスチューブの機能を有効に利用して、ヒートポンプの高効率化や被加熱流体の高温化に寄与できるヒートポンプ装置を提供することができる。
なお、本第2の実施例のヒートポンプ装置は、絞り装置15を設けた構成であるが、絞り装置15を削除した冷媒循環回路で構成するヒートポンプ装置(図示せず)でも良く、ヒートポンプの高効率化や第三放熱器17による被加熱流体の高温化などの効果が得られる。
また、本第2の実施例において、第1の実施例の構成と同様に、絞り装置15に代えて、第1絞り装置5及び第二絞り装置6を蒸発器入口側配管34にそれぞれ並設する構成のヒートポンプ装置でも良い。
Therefore, the heat pump apparatus of the present embodiment can provide a heat pump apparatus that can contribute to higher efficiency of the heat pump and higher temperature of the fluid to be heated by effectively using the function of the vortex tube.
Although the heat pump device of the second embodiment has a configuration in which the
Further, in the second embodiment, similarly to the configuration of the first embodiment, instead of the
図3は、本発明の第3の実施例におけるヒートポンプ装置の回路構成図である。
図3に示すヒートポンプ装置において、冷媒循環回路は、次のように冷媒配管で接続されて構成される。即ち、圧縮機21とボルテックスチューブ22の冷媒供給口22cとは圧縮機吐出側配管31で接続され、ボルテックスチューブ22の高温側出口22aと第一放熱器23とはこの第一放熱器23の入口側配管37で接続され、第一放熱器23と第二放熱器24とはこの第二放熱器24の入口側配管33で接続され、ボルテックスチューブ22の低温側出口22bと第二放熱器24とは同じく入口側配管33で接続されている。即ち、第一放熱器23及び低温側出口22bを出た冷媒は合流して第二放熱器24に流入する構成である。更に、第二放熱器24と蒸発器26とは蒸発器入口側配管34で接続され、また、この蒸発器入口側配管34の途中に設けた絞り装置25を介して接続される。
そして、第二放熱器24を出た冷媒は、絞り装置25から蒸発器26、圧縮機吸入側配管35を経て圧縮機21へと帰還するヒートポンプサイクルを構成している。また、冷媒循環回路の内部には冷媒として炭酸ガスを封入している。また、蒸発器26は外気と熱交換するためにファン27によって外気を導入している。
一方、本実施例では、給湯用の水回路28の水が、第一放熱器23及び第二放熱器24で冷媒と熱交換するために、第二放熱器24、第一放熱器23の順に流れ、冷媒循環回路の冷媒と対向流で熱交換するように構成されている。
FIG. 3 is a circuit configuration diagram of the heat pump apparatus in the third embodiment of the present invention.
In the heat pump apparatus shown in FIG. 3, the refrigerant circulation circuit is configured by being connected by refrigerant piping as follows. That is, the
The refrigerant that has exited the
On the other hand, in the present embodiment, the water in the hot water
以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。
圧縮機21で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒(炭酸ガス)は、ボルテックスチューブ22に流入し、ここで、冷媒供給口22cより管内壁接線方向に超臨界の冷媒が噴射され、この冷媒が渦流となって管内を旋回することにより、エネルギーの高い高温の冷媒分子は管内壁側に集まり、エネルギーの低いより低温の冷媒分子は管内中央部に集まり、互いに分かれて管内で逆方向に流れ、冷媒を高温と低温の2つの成分に分離する。このボルテックスチューブ22は、回転部分がないので摩耗や洩れが少なく、構造が簡単で製作が容易で安価である。また長年月の使用によっても性能が変化しない利点がある。
About the heat pump apparatus comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
The refrigerant (carbon dioxide gas) compressed into the supercritical state of high temperature and high pressure by the
そして、ボルテックスチューブ22の高温側出口22aから流出した高温の冷媒は、第一放熱器23で水回路28を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、低温側出口22bから流出した低温の冷媒と合流して第二放熱器24に流入する。
さらに、第二放熱器24を出てエンタルピーの低くなった冷媒は、絞り装置25に流入し、低温低圧の冷媒となって蒸発器26に流入する。ここで、ファン27の回転により送風される外気と間接的に熱交換して自らは蒸発し、気体となって圧縮機21に再び吸入される。
この第二放熱器24から流出した冷媒はエンタルピーが減少するため、外気との熱交換が容易になり、ヒートポンプの高効率化に繋がる利点がある。また、蒸発器26の大きさを小さくできる利点がある。
一方、水回路28の水は、まず第二放熱器24で熱交換して中温の湯となり、さらに第一放熱器23で熱交換して高温の湯となって給湯に寄与する。即ち、第二放熱器24では、圧縮機22を出た全冷媒が流れ込むため、冷媒側熱伝達率が向上して、熱交換効率が向上する。そのため、第一放熱器23に加えて第二放熱器24で熱交換して、水の温度を上昇させることができ、より高温の湯を容易に得ることができる利点がある。また、同じ熱量を得るための熱交換器の大きさを小さくすることができる利点がある。
And the high temperature refrigerant | coolant which flowed out from the high
Further, the refrigerant having the low enthalpy exiting the
Since the refrigerant flowing out from the
On the other hand, the water in the
絞り装置25の開度を調整することにより、冷媒循環回路を流れる冷媒流量を調整することができる。この調整によって、種々の運転条件に対応した適正な流量調整を可能とし、広い運転範囲でヒートポンプの高効率化が可能となる。
また、冷媒として炭酸ガスを用いているため、ボルテックスチューブ22に流入する冷媒は超臨界状態の単相流体であり、ボルテックスチューブ22の内部の冷媒も単相流となり、管内での旋回流を乱すことなく、容易に低温の冷媒分子と分かれて管内の逆方向流れを生じさせることができ、冷媒を高温と低温の2つの成分に容易に分離することができる。従って、冷媒として炭酸ガスを用いることは、高温給湯を高効率で達成することができる利点に繋がる。
また、ボルテックスチューブ22の高温側出口22aから流出する冷媒の温度は、通常の冷媒循環回路で最も温度の高くなる圧縮機21の吐出ガス冷媒温度よりも更に高くすることができるので、第一放熱器23の水回路28で、更に高温の湯を容易に作り出すことができるという利点もある。
By adjusting the opening degree of the
Further, since carbon dioxide is used as the refrigerant, the refrigerant flowing into the
Further, since the temperature of the refrigerant flowing out from the high
従って、本実施例のヒートポンプ装置によって、ボルテックスチューブの機能を有効に利用して、ヒートポンプの高効率化や被加熱流体の高温化に寄与できるヒートポンプ装置を提供することができる。
なお、上記各実施例においては、1個のボルテックスチューブを用いた構成について説明したが、複数個のボルテックスチューブを直列あるいは並列に接続して用いる構成でも良く、その場合には、ヒートポンプの性能や被加熱流体の高温化がさらに向上する。
Therefore, the heat pump apparatus of the present embodiment can provide a heat pump apparatus that can contribute to higher efficiency of the heat pump and higher temperature of the fluid to be heated by effectively using the function of the vortex tube.
In each of the above embodiments, a configuration using one vortex tube has been described. However, a configuration in which a plurality of vortex tubes are connected in series or in parallel may be used. The temperature increase of the heated fluid is further improved.
以上のように、本発明は、ボルテックスチューブを有効活用しヒートポンプの高効率化等を図るものであり、ヒートポンプ給湯機、空調機、冷凍機等の高効率化に適用できる。 As described above, the present invention effectively uses a vortex tube to increase the efficiency of a heat pump, and can be applied to increase the efficiency of heat pump water heaters, air conditioners, refrigerators, and the like.
1,11,21 圧縮機
2,12,23 第一放熱器
3,13,22 ボルテックスチューブ
3a,13a,22a 高温側出口
3b,13b,22b 低温側出口
3c,13c,22c 冷媒供給口
4,14,24 第二放熱器
5 第一絞り装置
6,16,26 蒸発器
7 第二絞り装置
8,18,27 ファン
9,19,28 水回路
15,25 絞り装置
17 第三放熱器
31 圧縮機吐出側配管
32 出口側配管
33 第二放熱器の入口側配管
34 蒸発器入口側配管
35 圧縮機吸入側配管
36 第三放熱器の入口側配管
37 第一放熱器の入口側配管
1,11,21
Claims (11)
前記圧縮機を前記ボルテックスチューブの冷媒供給口に接続し、前記ボルテックスチューブの高温側出口を前記第一の放熱器に接続し、前記第一の放熱器を前記第二の放熱器に接続し、前記ボルテックスチューブの低温側出口を前記第二の放熱器に接続し、前記第二の放熱器を前記蒸発器に接続し、前記蒸発器を前記圧縮機に接続して前記冷媒循環回路を構成したことを特徴とするヒートポンプ装置。 At least a compressor, a vortex tube, a first radiator, a second radiator, and an evaporator are connected to each other to constitute a refrigerant circuit,
Connecting the compressor to the refrigerant supply port of the vortex tube, connecting the high temperature side outlet of the vortex tube to the first radiator, connecting the first radiator to the second radiator, The refrigerant circulation circuit was configured by connecting the low temperature side outlet of the vortex tube to the second radiator, connecting the second radiator to the evaporator, and connecting the evaporator to the compressor. A heat pump device characterized by that.
The heat pump device according to any one of claims 1 to 10, wherein carbon dioxide gas is used as a refrigerant circulating in the refrigerant circulation circuit.
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