JP2004507706A - 可逆蒸気圧縮システム - Google Patents

Abstract

導管によって一体型の主回路を形成するように動作可能な関係に接続される圧縮機（１）、室内熱交換器（２）、膨張装置（６）及び室外熱交換器（３）を備える可逆蒸気圧縮システムである。第１の手段は、圧縮機と室内熱交換器との間にある主回路に設けられ、第２の手段は、冷房モードから暖房モード、及びその逆にシステムの逆転が可能なように室内熱交換器と室外熱交換器との間の主回路の反対側に設けられている。システムを逆転させるための第１及び第２の手段は、流れ逆転装置（４、５）を通ってそれぞれが主回路に接続されている第１及び第２の分岐回路（Ａ、Ｂ）を含む。システムには、冷媒液、特に二酸化炭素のための可逆熱交換器が含まれる。これは、セクションを通って連続的に空気が流れる状態で配置された相互接続される複数のセクションを含む。第１及び最後のセクションは相互接続され、それぞれのセクション間に設けられる流れ切替装置によって、熱交換器内の冷媒液流を暖房モードから冷房モードに変えることができる。

Description

【０００１】
［発明の分野］
この発明は、任意の冷媒及び特に二酸化炭素を用いる、超臨界状態あるいは未臨界状態下で動作する、冷凍、空調、ヒートポンプシステムなどの蒸気圧縮システム及び／またはこれらの組合せに関し、特に、限定はしないが、可逆冷凍／ヒートポンプシステムとして動作する装置に関する。
【０００２】
［従来技術の説明］
基本的な形態における非可逆蒸気圧縮システムは、図１に示すように、圧縮機１、熱放出器２、熱吸収器３及び膨張装置６を備える１つの主回路からなる。上記システムは、暖房モードまたは冷房モードのいずれかで機能することができる。システムを可逆的とするために、すなわちシステムをヒートポンプ及び冷凍システムの両方として作動可能にするために、既知の従来技術では、この目的を達成するために、上記回路に対して、異なるシステム設計の変更及び新しい構成要素の付加を行った。既知の従来技術及びその不利な点については以下に記述する。
【０００３】
最も一般的に使用されているシステムは、圧縮機、流れ逆転弁、室内熱交換器、内部熱交換器、２つの絞り弁、２つの逆止弁、室外熱交換器、及び低圧レシーバ／アキュムレータを含む。図２を参照されたい。逆転は、流れ逆転弁、２つの逆止弁、及び２つの絞り弁を使用して行われる。この解決法の不利な点は、２つの絞り弁を用いること、及び内部熱交換器が暖房モードかまたは冷房モードにおいて並行流となっていることであり、これは好ましくない。さらに、この解決法は、柔軟性がほとんどなく、中間圧力レシーバを用いるシステムでは効果的に使用することができない。
【０００４】
欧州特許ＥＰ０６０４４１７Ｂ１及び国際公開ＷＯ９０／０７６８３は、超臨界蒸気圧縮サイクル装置の超臨界の高側圧を調整する超臨界蒸気圧縮サイクル装置及び方法を開示している。開示されるシステムは、圧縮機、冷却塔（凝縮器）、逆流内部熱交換器、蒸発器、及びレシーバ／アキュムレータを備える。高圧制御は、レシーバ／アキュムレータの冷媒インベントリを変えることによって達成される。逆流内部熱交換器の高圧出口と蒸発器の入口との間の絞り装置は、操作手段として適用することができる。この解決法は、ヒートポンプモードかまたは冷凍モードにおいて使用することができる。
【０００５】
さらに、ドイツ特許ＤＥ１９８０６６５４は、エンジン冷却液システムが熱源として使用される内燃機関によって動力を供給される自動車のための可逆ヒートポンプシステムを記載している。開示されたシステムは、理想的ではないヒートポンプ運転モードで高圧の冷媒を下側から供給して放つ中間圧力レシーバを使用している。
【０００６】
さらに、ドイツ特許ＤＥ１９８１３６７４Ｃ１は、エンジンからの排気ガスを熱源として使用する自動車用空調のための可逆ヒートポンプシステムを開示している。このシステムの不利な点は、排気ガスの温度がかなり高くなるため、（使用されていないときに）排気ガス熱回収熱交換器において油分解の可能性があることである。
【０００７】
さらに、米国特許ＵＳＰ５８９０３７０は、１つの逆転装置と両方の流れ方向に作動することができる特殊な可逆絞り弁とを使用する単一段可逆超臨界蒸気圧縮システムを開示している。このシステムの主な不利な点は、特殊な絞り弁により必要となる複雑な制御法である。さらに、その現在の状態では、単一段システムにしか適用することができない。
【０００８】
さらにまた、別の特許である米国特許ＵＳＰ５４７３９０６は、暖房モードから冷房モードにシステムの運転を逆転させるためにシステムで２つ以上の逆転装置を使用する、車両用の空気調節器を開示している。特許されたこのシステムは２つの室内熱交換器を有する。この発明と比べて、上記特許で提案された実施形態のうちの１つにおいて、室内熱交換器は、絞り弁と第２の逆転装置との間に配置されている。この配置の主な不利な点は、室内熱交換器の出口からの低圧蒸気が、冷房モードにおける低圧冷媒（吸引ガス）に余分な圧力降下を生じさせる第２の逆転装置を通過しなくてはならないことである。暖房モードにおいて、システムは、システムの放熱側により高い圧力降下を受ける。排出ガスが、冷却される前に２つの逆転装置を通過しなくてはならないからである。上記特許の別の実施形態において、同じ室内熱交換器が第１の逆転装置と圧縮機との間に配置されている。この実施形態もまた、暖房モード運転において除熱側でより高い圧力降下を受ける。さらに別の実施形態において、圧縮機は、上記２つの四方弁と直接連通する。またこの実施形態は低圧冷媒（吸引ガス）が圧縮機に入る前に上記２つの四方弁を通過しなければならないため、冷房モードにおいて上記吸引ガスに余分な圧力降下を生じる。暖房モードにおいて、同様にこの実施形態はより高い圧力降下を受ける。さらに、提示された実施形態における凝縮器の後のレシーバの配置は、レシーバが凝縮器と蒸発器の熱交換器とを有する従来のシステムにしか使用できず、また超臨界動作には適さないものである。考案された圧力レシーバは超臨界動作において機能を有しないからである。このシステムの別の不利な点は、この特許が、単純な一体型システム、２段階圧縮、この発明が提供するような温水暖房と冷房の組合せのような他の応用のための実施形態を提供しないということである。上記特許は車両の空調専用に意図されているからである。
【０００９】
この発明の第２の態様に関して、米国再発行特許ＵＳ−Ｒｅ０３０４３３は、熱交換器の凝縮器及び蒸発器の動作に言及しているが、本願は蒸発器及び冷却塔の動作に関連している。後者の場合については、冷媒は単相流体であり、凝縮器の排水は問題にしない。冷却塔の目的はしばしば、ある範囲の温度を超えて空気流を加熱することであるが、これは、熱交換器のセクションが空気側と並行する場合には行うことができない。したがって、冷却塔において、回路の設計は、凝縮器として機能する必要のある熱交換器における設計とは異なったものになるであろう。本願において、空気は常に熱交換器のセクションを通って連続して流れるが、米国再発行特許ＵＳ−Ｒｅ０３０４３３の発明では、空気は、全ての「熱伝達ゾーン」を通って並行して流れる。
【００１０】
別の特許である、米国再発行特許ＵＳ−Ｒｅ０３０７４５は、蒸発器モード及び凝縮器モードに動作が限定されることを含む、上記の特許（米国再発行特許ＵＳ−Ｒｅ０３０４３３）と多くの類似点を有する可逆熱交換器を開示している。また、この場合、空気は全てのセクションを並行して流れる。別の重要な違いは、この特許では、蒸発器動作中に冷媒側において全てのセクションが並列に連結されている熱交換器を記載していることである。本願において、蒸発器モードにおいても、冷媒は通常は熱交換器を通って連続的に流れる。
【００１１】
基本的に、本願は、超臨界的に加圧された冷媒を冷却し空気を加熱することによって、１つのモードにおいて加熱器として機能し、一方で別のモードにおいて蒸発器として動作し、両方の場合において冷媒と空気がセクションを連続的に通って流れる可逆熱交換器について記載している。唯一の違いは、冷却塔動作において冷媒が全てのセクションを空気とは逆方向に連続的に流れるが、蒸発器動作においては２つのセクションと２つのセクションとが並行して連結されることである。
【００１２】
これらの態様は、これらの上記２つの特許では網羅されておらず、上記特許はいずれも冷却塔動作において所望の目的を達成しない。
【００１３】
［発明の概要］
この発明は、システム効率を低下させずに、可逆蒸気圧縮システムにおいて新しい、改良された、単純で効率的な逆転手段を提供することにより、上述したシステムの不利な点を解決するものである。この発明は、独立クレーム１において記載されているように、第１及び第２の流れ逆転装置を通して、圧縮機を含む第１の分岐回路及び、膨張装置を含む第２の分岐回路と連通する、室内及び室外熱交換器を含む主回路を特徴とする。
【００１４】
この発明の第２の態様は、熱交換器の性能を低下させずに可逆ヒートポンプシステムで使用することができる可逆熱交換器に関する。
これは、熱交換器が、熱交換セクション間に設けられる流れ切替装置によって、熱交換器における冷媒液流を暖房モードから冷房モードに切り替えることができることを特徴とする。
【００１５】
この発明のさらなる実施形態は、例えば、空気を熱源として使用するヒートポンプシステムにおいて熱交換器を除霜するためのよく知られている方法である蒸気圧縮逆転除霜システムに関する。
この発明の実施形態は、併記の独立クレーム１に記載されているように、逆転プロセスが２つの逆転装置を使用して行われることを特徴とする。
【００１６】
従属クレーム２〜２７及び２９〜３１は、この発明の好ましい実施形態を記載する。
【００１７】
この発明は、限定はしないが、定置及び可動の空調／ヒートポンプユニット及び冷蔵庫／フリーザーに適用することができる。特に、本装置は、部屋の空調及びヒートポンプシステム、内燃機関を有する自動車用の空調／ヒートポンプシステム並びに電気自動車あるいはハイブリッド車のために使用することができる。
【００１８】
この発明は、実施例により及び添付の図面を参照することにより、より詳細に記述される。
【００１９】
［発明の詳細な説明］
この発明の第１の態様
図１は、圧縮機１、熱交換器２、３、及び膨張装置６を含む非可逆蒸気圧縮システムの概略図を示す。
図２は、上述したような可逆ヒートポンプシステムの最も一般的な蒸気圧縮システムの概略図を示す。かかる既知のシステムに含まれる構成要素は図面に示される。モードの切り替えは、バイパスにおける逆止弁と、四方弁とを有する２つの異なる膨張弁を使用することによって行うことができる。
【００２０】
この発明の第１の実施形態
この発明の単一段可逆蒸気圧縮サイクルのための第１の（基本的な）実施形態は、暖房モードにおいて図３において概略的に示され、冷房運転については図４に示される。この発明によると、このシステムは、既知のシステムと同様に、圧縮機１、室内熱交換器２、膨張装置６（例えば絞り弁）、及び室外熱交換器３を含んでいる。完全なシステムは、冷媒が循環する閉主流回路を形成するために、接続配管を備えることが理解される。この発明の第１の実施形態の特徴は、例えば四方弁から構成することができる第１の流れ逆転装置４及び第２の逆転装置５を介してそれぞれ主流回路に連結されている２つの分岐回路、すなわち第１の回路Ａと第２の回路Ｂとを使用することである。圧縮機１及び膨張装置６は、それぞれ第１の分岐回路Ａ及び第２の分岐回路Ｂにそれぞれ設けられているが、室内熱交換器２及び室外熱交換器３は、第１及び第２の流れ逆転装置を介して上記分岐回路と連通する主回路に設けられている。この基本的な実施形態（この特許における別の実施形態の基礎的要素を形成する）は、暖房及び冷房モードの両方において最小の圧力降下で、システム効率を低下させないように運転する。さらに、この実施形態は、記録されたように広範囲にわたる可逆冷凍及びヒートポンプシステム応用形態を含むように適用範囲を広げる新たな実施形態を提供するための新たな構成要素を容易に組み込むことができる。
低圧レシーバ／アキュムレータを有しないこの実施形態及びその結果として推論される実施形態は、付加的な戻り油の管理の必要性をなくす利点を有している。冷房モード運転から暖房モード運転へのプロセスの可逆は、主回路を分岐回路Ａ及び分岐回路Ｂそれぞれに連結する２つの流れ逆転装置４及び５によって簡単に且つ効率的に実行することができる。この動作原理は以下の通りである。
【００２１】
ヒートポンプ運転
図３を参照すると、流れ逆転装置４及び５は、室外熱交換器３が蒸発器として作用し、室内熱交換器２が冷却塔（凝縮器）として作用するような暖房モード位置にある。循環冷媒は、熱源から熱を吸収することによって室外熱交換器３において蒸発する。蒸気は、流れ逆転装置４を通過した後、圧縮機１に放出される。蒸気の圧力及び温度は、圧縮機１によって増加され、その後、蒸気は流れ逆転装置４を通過して熱交換器２に入る。圧力に応じて、冷媒蒸気は、熱をヒートシンクに放出することによって（亜臨界圧で）凝縮されるかあるいは（超臨界圧力で）冷却される。次に、この高圧冷媒は流れ逆転装置５を通過して、その後その圧力が膨張装置６によって蒸発圧力まで減少される。冷媒は、流れ逆転装置５を通過した後、室外熱交換器３に入り、これによりサイクルを完成させる。
【００２２】
冷房モード運転
図４を参照すると、流れ逆転装置４及び５は、室内熱交換器２が蒸発器として作用し、室外熱交換器３が冷却塔（凝縮器）として作用するような冷房モード位置にある。循環冷媒は内部冷却液が熱を吸収することによって室内熱交換器２において蒸発する。蒸気は、流れ逆転装置４を通った後、圧縮機１によって吸引される。蒸気の圧力及び温度は圧縮機１によって増加され、その後、流れ逆転装置４を通過することによって室外熱交換器３に入る。圧力に応じて、冷媒蒸気は、熱をヒートシンクに放出することによって、（亜臨界圧で）凝縮されるかまたは（超臨界圧力で）冷却される。次に、高圧冷媒が流れ逆転装置５を通過し、その後に膨張装置６により蒸発圧力まで圧力が減少される。低圧冷媒は、流れ逆転装置５を通過した後、室内熱交換器２に入り、これによりサイクルを完成させる。
【００２３】
この実施形態の主な利点は、最小限の構成要素と簡単な操作及び制御原理を要することである。他方で、レシーバ／アキュムレータがないことにより、エネルギー効率及び全体のシステム性能は冷房／暖房負荷変動及び結果として起こるあらゆる冷媒漏れにも敏感になる。
【００２４】
第２の実施形態
図５及び図６は、それぞれ暖房モード及び冷房モード運転における第２の実施形態の概略図を示す。第１の実施形態と比べると、第２の実施形態は、熱除湿交換器２５、膨張装置２３及び弁２４を含む付加的な導管ループＣを有する。熱交換器２５は、冷房モードでは通常の蒸発器として機能するのに対し、暖房モード運転中に除湿機能を有する。暖房モード中に、逆転装置５の後の高圧冷媒のうちのいくらかが、膨張装置２３を通して流出し、それによって冷媒圧力が上記熱交換器において蒸発圧力まで減少される。次に、上記冷媒は、熱交換器２５において熱を吸収することによって蒸発され、その後、弁２４を通過する。このようにして、内部空気は除湿熱交換器２５を通過し、その後に再び室内熱交換器２によって加熱され、自動車空調システムにおけるフロントガラスなどの曇りを取り除くため、内部空間により乾燥した空気を提供する。冷房モードにおいて、熱交換器２５は内部空気の冷却のためのさらなる伝熱面積を提供する。システムの逆転は、暖房モードから冷房モードに、及びその逆に２つの流れ逆転装置４及び５の位置を変えることによって第１の実施形態と同様に実行することができる。
【００２５】
第３の実施形態
図７及び図８は、それぞれ暖房及び冷房モード運転における第３の実施形態の概略図を示す。第２の実施形態と比べると、さらに流れ切替装置２６及び２６’（例えば、逆止弁）を設けることにより、除湿熱交換器２５及び室内熱交換器２が冷房モード運転中に直列に連結されるように主回路に対して導管ループＣが配置され、これは上記熱交換器が動作モードに関わりなく並列に連結する第２の実施形態とは反対になっている。システムの逆転は、第１の実施形態と同様に、暖房モードから冷房モードに、及びその逆に２つの流れ逆転装置４及び５の位置を変えることによって簡単かつ効率的に行うことができる。
【００２６】
この発明の第４の実施形態
これは第１の実施形態の改良であり、図９においては暖房モードで、図１０においては冷房モードで概略的に示される。この発明によれば、この装置は、圧縮機１、流れ逆転装置４を有する分岐回路、室内熱交換器２、及び室外熱交換器３を有している。第３の実施形態との違いは、流れ逆転装置５を有する第２の分岐回路Ｂが、３つの相互接続される並列導管枝路Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を含む分岐回路と置き替えられていることである。この３つの相互接続される並列導管枝路を含む分岐回路は、分流膨張装置１６’及び１７’を通して主回路に接続されている。冷房モード運転から暖房モード運転へのプロセスの逆転は、流れ逆転装置４と２つの分流膨張装置１６’及び１７’とによって簡単にかつ効率的に実行することができる。動作原理は以下の通りである。
【００２７】
ヒートポンプ運転
図９を参照すると、流れ逆転装置４及び分流膨張装置１６’及び１７’は、室外熱交換器３が蒸発器として作用し、室内熱交換器２が冷却塔（凝縮器）として作用するような暖房モード位置にある。循環冷媒は、熱源から熱を吸収することによって室外熱交換器３において蒸発する。蒸気は流れ逆転装置４を通過した後、圧縮機１によって吸引される。
【００２８】
蒸気の圧力及び温度は、圧縮機１によって増加され、その後、流れ逆転装置４を通過して室内熱交換器２に入る。圧力に応じて、冷媒蒸気は、熱をヒートシンク（空気システムの場合は内部空気）に放出することによって（亜臨界圧で）凝縮されるか、あるいは（超臨界圧力で）冷却される。次に、高圧冷媒は第１の分流膨張装置１６’を通過し、その後第２の分流膨張装置１７’によってその圧力が室内熱交換器３において蒸発圧力まで減少され、サイクルを完成させる。
【００２９】
冷房モード運転
図１０を参照すると、流れ逆転装置４と分流膨張装置１６’及び１７’とは、室内熱交換器２が蒸発器として作用し、室外熱交換器３が冷却塔（凝縮器）として作用するような冷房モード位置にある。循環冷媒は、内部冷却液から熱を吸収することによって室内熱交換器２において蒸発する。冷媒は、流れ逆転装置４を通過し、その後、圧縮機１によって放出される。蒸気の圧力及び温度は、圧縮機１によって増加された後、流れ逆転装置４を通過することによって室外熱交換器３に入る。圧力に応じて、冷媒蒸気は、ヒートシンクに熱を放出することによって（臨海前圧力で）凝縮されるかあるいは（亜臨界圧で）冷却される。次に、高圧冷媒は、第１の分流膨張装置１７’を通過した後、第２の分流膨張装置１６’によってその圧力が室外熱交換器２において蒸発圧力まで減少され、サイクルを完成させる。
【００３０】
この発明の第５の実施形態
図１１及び図１２はそれぞれ暖房モード運転及び冷房モード運転における第５の実施形態の概略図を示す。この実施形態は、水道水を用いた暖房機能を有する可逆蒸気圧縮システムを示す。水道水は、分岐回路Ｂに設けられている熱交換器２４によって最初に予熱され、その後、分岐回路Ａにおける第２の給湯器熱交換器２３によって所望の温度までさらに加熱される。給湯器熱交換器２３への熱負荷は、熱交換器２３における水流量を変えることか、あるいは当該熱交換器の冷媒側のバイパス配置により調整することができる。
【００３１】
この発明の第６の実施形態
図１３及び図１４はそれぞれこの発明の第１の実施形態の改良である第６の実施形態の概略図を示す。第１の実施形態と比べて、この実施形態は分岐回路Ａに設けられ且つ導管ループ接続１２を通して分岐回路Ｂにおいて冷媒と熱を交換する逆流内部熱交換器９をさらに有している。冷房モードにおいて動作する原型蒸気圧力ユニットで行われる試験では、内部熱交換器の追加は、結果としてエネルギー消費を低減させ、高いヒートシンク温度（高い冷却負荷）でより高い冷却能力を生じ得ることが示される。この逆転プロセスは第１の実施形態と同様に行われる。
【００３２】
この発明の第７の実施形態
この発明の第７の実施形態は、図１５において暖房モードで、図１６において冷房モードで概略的に示される。この実施形態と第１の実施形態との主な違いは、分岐回路Ｂに設けられて高圧冷媒の２段階膨張を生じる中間圧力レシーバ／アキュムレータ７の存在である。この実施形態において、可逆蒸気圧縮装置は、圧縮機１、流れ逆転装置４、別の流れ逆転装置５、膨張装置６、及び室外熱交換器を含む。この逆転プロセスは、暖房モードから冷房モードに、及びその逆に２つの流れ逆転装置４及び５の位置を切り替えることによって上述したように行われる。この実施形態は、ＣＯＰあるいは能力を最大にするために、高圧側圧力及び冷房／暖房能力制御を有効にする中間圧力レシーバ／アキュムレータ７を導入することによって第１の実施形態を改良している。このシステムは、より頑強になり、中間圧力レシーバ／アキュムレータ７における冷媒液レベルがある限り、結果としての漏れが生じない。
【００３３】
この発明の第８の実施形態
第８の実施形態は、第４の実施形態の改良であり、図１７に暖房モードが、図１８に冷房モードが概略的に示されている。この実施形態と第４の実施形態の間の主な違いは、第２の分岐回路Ｂの中間の枝路Ｂ２に設けられ且つ分流膨張装置１６’及び１７’のそれぞれを通して高圧冷媒の２段階膨張を生じさせる中間圧力レシーバ／アキュムレータ７の存在である。このシステムは、より頑強になり、中間圧力レシーバ／アキュムレータ７における冷媒液レベルがある限り、結果としての漏れが生じない。
【００３４】
この発明の第９の実施形態
この発明の第９の実施形態は、図１９に暖房モードが、図２０に冷房モードが概略的に示される。この実施形態は、装置１６’及び１７’の分流及び膨張機能が２つの別々の分流装置１６及び１７に分解されており、２つの膨張装置６及び８がそれぞれレシーバ／アキュムレータ７の上流及び下流で中間枝路Ｂ２に設けられていることを除いて第８の実施形態と同じである。この実施形態によれば、システムは、圧縮機１、分流装置４、室内熱交換器２、分流装置１６、膨張装置６、中間圧力レシーバ／アキュムレータ７、膨張装置８、分流装置１７及び室外熱交換器を含んでいる。この実施形態において、システムの逆転は、冷房モードあるいは暖房モードに位置する１つの流れ逆転装置４と２つの分流装置１６及び１７とを使用することによって達成される。
【００３５】
第１０の実施形態
この発明の第１０の実施形態について、図２１に暖房モードが、図２２に冷房モードが示されている。第７の実施形態と比べて、この実施形態は、分岐回路Ａに設けられ且つ膨張装置６の前に分岐回路Ｂに連結される導管ループ１２を通して分岐回路Ｂと熱を交換する逆流内部熱交換器９をさらに備えている。冷房モードにおいて動作する原型蒸気圧縮ユニットで行われる試験では、内部熱交換器の付加によりエネルギー消費が低減され、高いヒートシンク温度（高い冷却負荷）でより高い冷却能力を生じ得ることが示されている。動作原理は、膨張装置６によって中間圧力レシーバ／アキュムレータ７内に膨張される前に、流れ逆転装置５の後の温かい高圧冷媒が、内部熱交換器９を通して流れ逆転装置４の後の冷たい低圧冷媒と熱を交換することを除いて、第５の実施形態と同様である。逆転プロセスは、第１の実施形態と同様に行われる。
【００３６】
この発明の第１１の実施形態
この発明の第１１の実施形態について、図２３に暖房モードの動作が、図２４に冷房モードの動作が示されている。この実施形態と第１０の実施形態との主な違いは、逆流内部熱交換器９の高圧側の場所である。第８の実施形態によると、内部熱交換器９の高圧側は、逆転装置５と膨張装置８との間の分岐回路Ｂに配置されるのに対し、この実施形態においてはこの内部熱交換器９の高圧側は逆転装置５と室外熱交換器３との間に配置される。結果として、この実施形態によると、内部熱交換器は、熱交換するための温度駆動力が非常に限られているため、暖房あるいは冷房モード運転において「有効」ではない。
【００３７】
この発明の第１２の実施形態
この実施形態について、図２５に暖房モードの動作が、図２６に冷房モードの動作が示されている。この実施形態は、導管２０を通して、分岐回路Ｂにおいてレシーバ／アキュムレータ７から中間圧力で蒸気を放出することによって２段階で圧縮プロセスを実行する２段可逆蒸気圧縮装置であり、よりよい蒸気圧縮効率を生じる。さらに、この実施形態により、中間圧力レシーバ／アキュムレータ７において結果として生じる中間圧力の選択をより制御することができる。圧縮機１は、中間吸引ポートを有する単一の複合ユニット、あるいは２つの別個の第１段階と第２段階の任意のタイプの圧縮機とすることができる。この圧縮機は「二重効果圧縮」タイプのもの（Ｇ．Ｔ．Ｖｏｏｒｈｅｅｓ　１９０５、英国特許第４４４８号）でもよい。「二重効果圧縮」タイプの圧縮機には、ピストンの下死点かあるいは下死点の近くにおいて覆われていないポートが往復圧縮機のシリンダに備え付けられ、中間圧力で蒸気を誘導し、それによってシステムの冷房あるいは暖房能力を増加させる。可変ストローク（行程容積）を有する「二重効果」圧縮機を使用することにより、ポートは、システム能力を上げるために、暖房あるいは冷房要求が高いときにのみ覆いを取ることができる。
この実施形態における動作原理は、圧縮プロセスが２段階で行なわれ、結果として生じるフラッシュ蒸気が膨張装置６の後の中間圧力レシーバ／アキュムレータ７において配管１２を通して２段階圧縮機によって放出されることを除いて、第１の実施形態と同じである。複合ユニットあるいは２つの別個の圧縮機が用いられる場合、冷たいフラッシュ蒸気が第１段階の圧縮からの排出ガスと混合され、第２段階の圧縮プロセスの開始時において低いガス温度を生じる。結果として、この実施形態の圧縮の全仕事量は、単一段可逆超臨界蒸気圧縮の実施形態よりも少なく、結果として生じる全体的なエネルギー効率がより高い。
【００３８】
この発明の第１３の実施形態
第１３の実施形態について、図２７及び図２８にそれぞれ暖房モード及び冷房モードが概略的に示される。第１２の実施形態と比べて、中間圧力及び温度でさらなる冷却能力を提供する熱交換器１０を付加的に備えている。熱交換器１０は、重力送りあるいはポンプ送り熱交換器／蒸発器とすることができる。上記熱交換器１０は中間圧力レシーバ７と一体となっていてもよい。この実施形態は、第１２の実施形態の改良であり、２つの温度レベルでの冷房／冷凍の必要があるシステムのために採用することができる。例えば、ハイブリッドあるいは電気自動車のための空調システムは、モータ及び室内区画のための冷却を提供すべきである。この発明は、中間圧力及び温度でモータの冷却を行いながら蒸発圧力及び温度において室内空間用の冷房を提供することができる。上記熱交換器によって吸収される熱は、暖房モードにおいてさらなる熱源として使用することもできる。システムの逆転は、第１の実施形態と同様に、暖房モードから冷房モードへ、及びその逆に２つの流れ逆転装置４及び５の位置を変えることによって実行することができる。
【００３９】
この発明の第１４の実施形態
第１４の実施形態について図２９及び図３０にそれぞれ暖房モード及び冷房モードが概略的に示される。この実施形態は、分岐回路Ｄに設けられる熱交換器１０の配置を除いて第１３の実施形態と同じである。上記分岐回路は付加的な膨張装置２０を有している。暖房モードと冷房モードのいずれにおいても、高圧冷媒の一部は膨張装置２０によって流出し、冷媒圧力が中間圧力レベルに低下される。次に、冷媒は、熱交換装置において熱を吸収することによって蒸発し、その後冷媒は中間圧力レシーバ７に入る。システムの逆転は、暖房モードから冷房モード、及びその逆に２つの流れ逆転装置４及び５の位置を変えることによって、第１の実施形態と同様に実施される。
【００４０】
この発明の第１５の実施形態
第１１の実施形態について、図３１及び図３２においてそれぞれ暖房モード及び冷房モードが概略的に示される。この実施形態は、導管１２’を通して、第１段階圧縮機１’からの熱ガスを中間圧力レシーバ／アキュムレータ７内に排出することによって達成される「中間冷却」での２段階圧縮を特徴とする。そうすることによって、第２段階圧縮機１’’の吸入ガス温度は、中間圧力レシーバ／アキュムレータ７内の飽和圧力に対応する温度に飽和される。結果として、単一段圧縮を用いる実施形態と比べて、圧縮の全仕事量は低減し、システム効率はより高くなる。必要な場合は、直接第１段階から第２段階圧縮の吸入ラインに熱排出ガスの一部を導くこと、すなわち中間圧力レシーバ／アキュムレータ７をバイパスすることにより圧縮の第２段階のための吸入ガスの過熱を制御することも可能である。このシステムの逆転は、暖房モードから冷房モードへ、及びその逆に２つの流れ逆転装置４及び５の位置を変えることによって、第１の実施形態と同様に実施される。
【００４１】
この発明の第１６の実施形態
図３３及び図３４は、それぞれ冷房モードと暖房モードで運転する蒸気圧縮装置の第１６の実施形態を示す。この実施形態は、第１５の実施形態と類似であるが、分岐回路Ａに設けられ導管ループ１８を通って分岐回路Ｂと熱を交換する逆流内部熱交換器９を追加した２段可逆蒸気圧縮装置を示している。逆流内部熱交換器９を使用する利点は、高圧冷媒が膨張装置６を通り抜ける前に高圧冷媒の温度を低減させ、これによって結果としてより高い冷凍能力及びよりよいエネルギー効率を有することができることである。この実施形態の動作原理は、流れ逆転装置５の後の高圧冷媒が膨張装置６を通過する前に内部熱交換器９を通って流れることを除いて第１５の実施形態と同様である。システムの逆転は、暖房モードから冷房モードに、及びその逆に２つの流れ逆転装置４及び５の位置を変えることによって第１の実施形態と同様に実行することができる。
【００４２】
この発明の第１７の実施形態
この実施形態は図３５及び図３６においてそれぞれ暖房モード及び冷房モードが概略的に示されている。この実施形態は、分岐回路Ｂにおいてさらなる低圧レシーバ／アキュムレータ１５を有することを除いて第６の実施形態と同じである。システムの逆転は、暖房モードから冷房モードに、及びその逆に２つの流れ逆転装置４及び５の位置を変えることによって第１の実施形態と同様に行われる。
【００４３】
この発明の第１８の実施形態
第１８の実施形態について図３７に暖房モードの動作が、図３８に冷房モードの動作が概略的に示される。この実施形態によると、システムは、２段可逆蒸気圧縮タイプのものであり、圧縮プロセスは「中間冷却」での２段階において行われ、よりよい蒸気圧縮効率及び全体のシステム性能を生じる。この実施形態は、主回路において、室内熱交換器２、流れ逆転装置４を通って主回路に連結される分岐回路Ａ、及び第２の流れ逆転装置５を通して主回路と接続される分岐回路Ｂを備えている。分岐回路Ａは、圧縮機１、低圧レシーバ／アキュムレータ１５、及び逆流内部熱交換器９を含み、分岐回路Ｂは、膨張装置６を含んでいる。導管１２を通して分岐回路Ｂからの冷媒を通過させることによって内部熱交換器９を通して２つの分岐回路間で熱が交換される。さらに中間冷却熱交換器１４が設けられる。冷媒の一部分はこの熱交換器を通して導かれて分岐回路Ｂに戻され、別の部分は別の副導管１９を介して膨張装置１３を通って中間冷却熱交換器１４の他方の流路と圧縮機１の第２段に導かれる。第１３の実施形態と比べて、室内冷却熱交換器１４の追加により、より高い冷却能力及びより低い圧縮仕事量を生じる。
【００４４】
圧縮機１は、中間吸引ポートを有する（単一の）複合ユニットかまたは、２つの別個の第１段階及び第２段階の任意のタイプの圧縮機とすることができる。このシステムの逆転は、暖房モードから冷房モードに、及びその逆に２つの流れ逆転装置４及び５の位置を変えることによって第１の実施形態と同様に実行することができる。
【００４５】
この発明の第２の態様（可逆蒸気圧縮システムのための熱交換器）
蒸気圧縮システムは、冷房運転のための空調モードと、暖房運転のための暖房モードのいずれにおいても動作することができる。運転のモードは、回路を通して冷媒流の方向を逆転させることによって切り替えられる。
【００４６】
空調運転中に、室内熱交換器は冷媒の蒸発によって熱を吸収し、一方で熱は室外熱交換器を通して除去される。暖房運転中に、室外熱交換器は蒸発器として作用し、一方で熱は室内熱交換器を通して除去される。
【００４７】
室内熱交換器及び室外熱交換器は二重の目的を果たさなければならないため、この設計はどちらのモードについても最適ではない折衷案となる。二酸化炭素を冷媒とする場合、熱交換器は、最適の設計のためには非常に異なった要件である、蒸発器及び冷却塔の両方として動作する必要がある。冷却塔動作中には、逆流熱交換器タイプが望ましく、冷媒の質量流束が比較的高いことが望ましい。蒸発器の動作においては、質量流束が減少されることが望ましく、交差流冷媒循環路とすることもできる。
【００４８】
適当な手段（逆止弁など）を使用することによって、運転のモードが逆転されたときに熱交換器における循環路を変えることができる。弁は冷媒流の方向に応じて異なる循環路を熱交換器に与える。図３９〜図４６は、それぞれ暖房モード及び冷房モードで、空気流方向において２つ、３つ、４つ、及び６つのセクションを有する異なる熱交換器を示す。図３８、図４０、図４２、図４４に見られるように、暖房動作中、冷媒は交差逆流になる方法で４つのセクションのそれぞれを連続的に通って流れる。他方では、図３９、図４１、図４３及び図４５において示されるように、流れを逆転させることによって、空気入口側に入る１つと２つ、あるいは２つと２つのスラブを通して並行に冷媒が循環する。流れモードの切り替えは逆止弁によって達成することができるのが好ましいが、他のタイプの弁を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非可逆蒸気圧縮システムの概略図である。
【図２】可逆ヒートポンプシステムのために実施される、最も一般的なシステム回路の概略図である。
【図３】暖房モード運転における第１の実施形態の概略図である。
【図４】冷房モード運転における第１の実施形態の概略図である。
【図５】暖房モード運転における第２の実施形態の概略図である。
【図６】冷房モード運転における第２の実施形態の概略図である。
【図７】暖房モード運転における第３の実施形態の概略図である。
【図８】冷房モード運転における第３の実施形態の概略図である。
【図９】ヒートポンプモード運転における第４の実施形態の概略図である。
【図１０】冷房モード運転における第４の実施形態の概略図である。
【図１１】ヒートポンプモード運転の第５の実施形態の概略図である。
【図１２】冷房モードモード運転における第５の実施形態の概略図である。
【図１３】ヒートポンプモード運転における第６の実施形態の概略図である。
【図１４】冷房モード運転における第６の実施形態の概略図である。
【図１５】ヒートポンプモード運転における第７の実施形態の概略図である。
【図１６】冷房モード運転における第７の実施形態の概略図である。
【図１７】ヒートポンプモード運転における第８の実施形態の概略図である。
【図１８】冷房モード運転における第８の実施形態の概略図である。
【図１９】ヒートポンプモード運転における第９の実施形態の概略図である。
【図２０】冷房モード運転における第９の実施形態の概略図である。
【図２１】ヒートポンプモード運転における第１０の実施形態の概略図である。
【図２２】冷房モード運転における第１０の実施形態の概略図である。
【図２３】ヒートポンプモード運転における第１１の実施形態の概略図である。
【図２４】冷房モード運転における第１１の実施形態の概略図である。
【図２５】ヒートポンプモード運転における第１２の実施形態の概略図である。
【図２６】冷房モード運転における第１２の実施形態の概略図である。
【図２７】ヒートポンプモード運転における第１３の実施形態の概略図である。
【図２８】冷房モード運転における第１３の実施形態の概略図である。
【図２９】暖房モード運転における第１４の実施形態の概略図である。
【図３０】冷房モード運転における第１４の実施形態の概略図である。
【図３１】暖房モード運転における第１５の実施形態の概略図である。
【図３２】冷房モード運転における第１５の実施形態の概略図である。
【図３３】暖房モード運転における第１６の実施形態の概略図である。
【図３４】冷房モード運転における第１６の実施形態の概略図である。
【図３５】暖房モード運転における第１７の実施形態の概略図である。
【図３６】冷房モード運転における第１７の実施形態の概略図である。
【図３７】暖房モード運転における第１８の実施形態の概略図である。
【図３８】冷房モード運転における第１８の実施形態の概略図である。
【図３９】この発明の第２の態様の概略図である。
【図４０】この発明の第２の態様の概略図である。
【図４１】この発明の第２の態様の概略図である。
【図４２】この発明の第２の態様の概略図である。
【図４３】この発明の第２の態様の概略図である。
【図４４】この発明の第２の態様の概略図である。
【図４５】この発明の第２の態様の概略図である。
【図４６】この発明の第２の態様の概略図である。

Claims (31)

1. 導管によって一体型システムを形成するように動作可能な関係に接続される、圧縮機（１）、室内熱交換器（２）、膨張装置（６）及び室外熱交換器（３）を備える可逆蒸気圧縮システムであって、
   室内熱交換器及び室外熱交換器が主回路に設けられ、前記圧縮機及び前記膨張装置はそれぞれ分岐回路（Ａ）及び（Ｂ）に設けられ、前記分岐回路（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ流れ逆転装置（４）及び（５）を通して前記主回路と連通し、冷房モードから暖房モードに該システムを逆転させることが可能であることを特徴とする可逆蒸気圧縮システム。
2. 前記流れ逆転装置（４）及び（５）は、同じ機能を果たす１つのユニットに一体的に組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 入口側の逆転装置（５）及び膨張装置（６）と出口側の逆転装置（４）及び圧縮機吸入側との間に接続され且つ除湿熱交換器（２５）、膨張装置（２３）、及び弁（２４）を備える導管ループをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記熱交換器（２５）は、複数の流れ逆転装置（２６）及び（２６’）を使用して、暖房モードにおいては並列に、冷房モードにおいては直列に接続されることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記分岐回路（Ｂ）は相互接続されている３つの並列の枝路（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）を備え、前記流れ逆転装置は、前記分岐回路（Ｂ）の外側の前記並列枝路（Ｂ１、Ｂ３）を前記一体型主回路に接続する２つの分流膨張装置（１７’、１６’）であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記第１の分岐回路（Ａ）は、前記圧縮機の後にさらに熱交換器（２３）を備え、前記分岐回路（Ｂ）は、前記膨張装置（６）の前にさらに熱交換器（２４）を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記分岐回路は、前記分岐回路（Ａ）においては前記圧縮機の前に、前記分岐回路（Ｂ）においては前記膨張装置の前に内部熱交換器（９）をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
8. 前記分岐回路（Ｂ）は、前記膨張装置（６）の後であるがさらなる膨張装置（８）の前にレシーバ／アキュムレータ（７）を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
9. 前記圧縮プロセスは２段階で行われ、前記レシーバ／アキュムレータ（７）からのフラッシュ蒸気が前記圧縮機（１）の第２段階によって導管ループ（１２’）を介して放出されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のシステム。
10. 熱交換器（１０）を使用して、中間圧力及び温度でさらなる冷却能力を提供することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 前記熱交換器（１０）は、前記レシーバ／アキュムレータ（７）に接続される重力送りあるいはポンプ送り蒸発器であることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 前記熱交換器（１０）は、別の膨張装置（２０）を使用する導管ループＤに設けられ、該導管ループの入口が逆転装置（５）と膨張装置（６）との間に接続され、該導管ループの出口が前記レシーバ／アキュムレータ（７）に接続されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
13. 前記圧縮は、２段複合圧縮機によって行われることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載のシステム。
14. 前記圧縮プロセスは、二重効果タイプのものであることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載のシステム。
15. 前記圧縮機（１）は、可変ストロークタイプのものであることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載のシステム。
16. 前記圧縮プロセスは、２つの別個の、第１及び第２段階圧縮機（１’、１’’）によって行われることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載のシステム。
17. 前記第１段階圧縮機（１’）からの排出ガスが導管ループ（１２’）を介して前記レシーバ／アキュムレータ（７）に導かれ、その後に前記第２段階圧縮機（１’’）によって導管ループ（１２’’）を介して前記レシーバ／アキュムレータから放出されることを特徴とする請求項９及び１６のいずれかに記載のシステム。
18. 内部熱交換器（９）が分岐回路（Ａ）において前記圧縮機（１）の前にさらに配置され、この熱交換器は、前記膨張装置（６）の前に配置される接続導管ループ（１８）を介して分岐回路（Ａ）と分岐回路（Ｂ）の間に熱交換のために設けられていることを特徴とする請求項９〜１７のいずれかに記載のシステム。
19. レシーバ／アキュムレータ（１５）が分岐回路（Ａ）において前記熱交換器（９）の前にさらに設けられていることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
20. 前記圧縮プロセスは、２段階であるいは二重効果圧縮で行われることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
21. 中間冷却熱交換器（１４）が前記導管ループ（１２）において前記内部熱交換器（９）の後にさらに設けられ、前記導管ループからの冷媒の一部が流出し、前記中間冷却熱交換器（１４）の低圧側を通過した後に副導管ループ（１９）を介して前記圧縮機（１）に導かれ、前記冷媒の主要部分は前記分岐回路（Ｂ）に戻ることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
22. アキュムレータ／レシーバ（７）が中間の前記枝路（Ｂ２）に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
23. 前記２つの分流膨張装置（１６’、１７’）が２つの分流装置（１６、１７）の代わりに設けられ、中間の前記枝路（Ｂ２）に１つの膨張装置（６）が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
24. レシーバ／アキュムレータ（７）が中間の前記枝路（Ｂ２）において前記膨張装置（６）の後に設けられていることを特徴とする請求項５または２３に記載のシステム。
25. 膨張装置（８）が前記レシーバ／アキュムレータ（７）の後にさらに設けられていることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
26. 前記サイクルは超臨界的であることを特徴とする請求項１〜２５のいずれかに記載のシステム。
27. 前記冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜２６のいずれかに記載のシステム。
28. ヒートポンプモードから冷房モードにプロセスを逆転させることによって霜付き熱交換器（蒸発器）の除霜を達成することを特徴とする請求項１〜２７のいずれかに記載のシステム。
29. 複数の相互接続されるセクションを通して空気が連続的に流れ、相互接続される第１及び最後のセクションに冷媒回路が接続された蒸気圧縮システムにおける特に二酸化炭素である冷媒液用の可逆熱交換器であって、
    前記熱交換器における前記冷媒液流を前記それぞれのセクション（２２）間に設けられる流れ切替装置（２０）によって暖房モードから冷房モードに切り替えることができることを特徴とする熱交換器。
30. 前記流れ切替装置は、逆止弁であることを特徴とする請求項２８に記載の熱交換器。
31. 相互接続は、マニホールド（２１）によることを特徴とする請求項２８または２９に記載の熱交換器。

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