JPH0549907B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は圧縮型ヒートポンプ、特に回転式の
新型ヒートポンプに関するものである。

圧縮型ヒートポンプは、それらを工業上の目的
のためにまたは家庭用暖房装置として有効利用す
る点に向けてここ数十年の間に発達した。従来の
加熱装置特に油、ガスまたは固形燃料により燃焼
されるウオータボイラと比較して、ヒートポンプ
は高価であり厄介である。しかしながら、それら
の作動は多くの他の従来の暖房装置よりも一層経
済的でもあり、従つて改良された一層小型の設計
のポンプが求められ続けている。

この発明の主な目的は、非常に小型に設計し得
る新型のヒートポンプを提供することである。

この発明によれば、少なくともエバポレータ、
コンプレツサおよびコンデンサを有し、少なくと
も１つの前記構成要素（コンプレツサを除く）が
１つまたはそれ以上の回転可能な板、好ましく
は、軸方向に離隔された平行で回転可能な多数の
板の形であり、そしてこれらの板を介して熱伝達
が行なわれることを特徴とする圧縮型ヒートポン
プが提供される。

ヒートポンプの前記構成要素の各々すなわちエ
バポレータおよびコンデンサが１つまたは多数の
回転可能な板の形であり、そしてこれらの板を介
して熱伝達が行なわれるならば、特に有利であ
る。

この発明によつて、あらゆる構成要素が小型設
計の単一の軸に取付けられ、しかも単一の回転動
力源により駆動される圧縮型ヒートポンプを設計
することが可能となつた。

従つて、特に好ましい型においてこの発明によ
る回転圧縮型ヒートポンプは、 (a) エバポレータを有し、これはエバポレータと
共に回転する回転軸に取付けられかつ少なくと
も１つの板を備え、その板の第１の面を横切つ
て周囲流体熱源が流れ、また第２の面を横切つ
て凝縮した作動流体が流れてそこから蒸発する
ことができ、 (b) コンデンサを有し、これはエバポレータと共
に回転する前記回転軸に取付けられかつ少なく
とも１つの板を備え、その板の第１の面を横切
つて圧力下の蒸発した作動流体が流れ、また第
２の面を横切つて被加熱媒体が流れることがで
き、 (c) コンプレツサを有し、これは前記回転軸の周
りに取付けられてそれにより駆動されるように
され、そして蒸発した作動流体をエバポレータ
から受けてそれをコンデンサに圧送することが
でき、 (d) コンデンサ内の圧力を上昇レベルに維持する
流れ制限弁を有し、さらに (e) 前記回転軸を回転させる駆動装置を有してい
る。

この発明による圧縮型ヒートポンプに使用され
る板は代表的には円板または環状板の形である。

作動流体の蒸気はコンデンサ内の板の面を越え
て流れかつその面上で凝縮するが、その板の面は
連続液体フイルムを形成するように設計された面
を有している。好ましくは板の面は、(a)作動流体
の蒸気の凝縮が滴下式に行なわれるようにして、
また(b)その湿潤性がいかなる連続的な安定した液
体フイルムの形成もなくすよう減少されるように
して処理される。こうした処理には、板の面上に
特に適当なシリコーンまたはポリテトラフルオロ
チレン被覆を施すことが必要である。

液体作動流体はエバポレータ内の板の面を越え
て流れかつそこから蒸発することになるが、前記
板の面は有利には、その上に形成される連続した
液体フイルムを維持するのを助けるように処理さ
れることができる。このような処理はたとえばエ
ツチングのような化学的処理かまたはたとえば砂
吹きのような物理的処理であり、そして一般には
こうした処理は板の表面を全体的に細かい粗さに
仕上げる目的で行なわれる。

この発明による圧縮型ヒートポンプに用いられ
た板の厚さは構造体の材料、行なわれるべき特定
の蒸発または凝縮、および選択された表面特性の
形態に応じて、だいたい0.1mm〜５mmの間である。
板の厚さは変化する（これは明らかにある表面特
性の形態と共に変化する）が、一般にはそれらの
特性とは無関係である。認められることは、板の
厚さが作動条件のもとで必要な剛性を得るのに十
分であるが、１つの面からもう１つの面への大き
な熱流束を可能にするほど薄いことである。代表
的には、板の厚さは0.25mm〜1.25mmの間である。

この発明による回転圧縮型ヒートポンプに用い
られた板の外径は代表的には10cm〜５ｍの範囲、
好ましくは50cm〜100cmの間であり、また板が環
状板の形である場合には、その内径は代表的には
５cm〜１ｍの範囲である。

この発明によるヒートポンプの構成要素が多数
の板を有する場合には、それらは共通軸線にそつ
て実質的に互いに平行に取付けられ、そしてその
軸線の周りに回転することができ、また狭い通路
を形成するように互いに近接して配置されてい
る。好ましくは、隣接する板の間の通路の平均軸
方向深さは0.5mm〜10mm、一層好ましくは２mm〜
３mmの間である。

この発明による回転圧縮型ピートポンプに使用
さるた板は、ヒートポンプの作動時に受けるいか
なる応力にも耐え得る適当な熱伝導材料で作られ
ている。適当な材料の例としては、特に軟鋼、ス
テンレス鋼、銅およびアルミニウムをあげること
ができる。

作動中、板は重力の加速度「ｇ」よりも大き
な、回転軸線に関して半径方向に測された平均加
速度によつていかなる液体をも受けるような速度
で回転される。選択される特定値は板の寸法、板
を貫通する熱の流れ、および入熱と板上で処理さ
れるべき液体量との両方によるヒートポンプの所
望容量のような要素に左右される。加速度はだい
たい５〜1000ｇ、特に50〜750ｇ、一層好ましく
は100〜600ｇの範囲内にある。

一般に、面上で液体を支持する板が回転する場
合には、遠心力の作用はその液体をほぼ回転軸線
から離れる方向に移動させる傾向にある。従つ
て、この発明によるヒートポンプのエバポレータ
内の板から蒸発すべき液体はその回転軸線に隣接
した板に対してたとえば板の中心に向けて供給さ
れるのが好都合である。この発明のヒートポンプ
のコンデンサ内に配置された板の面で凝縮作用に
より形成される液体は半径方向外方に流れ、その
周囲に隣接して排出される。エバポレータ内の板
の面から発生する蒸気は板の周囲の軸線に隣接し
て排出することができる。

代表的には、この発明による回転型ヒートポン
プに用いられる駆動装置は電動モータにより駆動
されるベルトである。しかしながら、他の駆動装
置たとえば回転装置の分野では既知の、電動モー
タからの直接駆動装置を使用することができる。

この発明による回転圧縮型ヒートポンプに使用
されるコンプレツサは、蒸気を圧縮するのに用い
られる適当な容量のいかなるコンプレツサでもよ
いが、このコンプレツサには歯車ポンプ型のもの
が好都合である。

この発明によるヒートポンプで使用するのに適
当な作動流体は、圧縮型ヒートポンプの分野では
既に知られているものであり得る。好ましい作動
流体は冷媒としては周知のクロロフルオロハイド
ロカーボン、たとえばモノクロロテトラフルオロ
エタン、トリクロロフルオロメタンおよび１，
２，２−トリクロロ−１，１，２−トリフルオロ
エタンである冷媒１２４である。

作動流体の性質によつて認められることは、コ
ンプレツサ内の作動流体蒸気の凝縮を避けるため
に、しばしば蒸気は過熱した状態でエバポレータ
から排出されることである。

エバポレータに供給される周囲流体熱源はたと
えば河川や池または好ましくは空気から得られる
水であり得る。

この発明による回転圧縮型ヒートポンプのコン
プレツサ内で熱を吸収することによつて加熱され
る媒体は液体、たとえば水、好ましくは無毒ガ
ス、一層好ましくは空気であり得る。

認められることは、周囲流体熱源および被加熱
媒体の両方が空気である場合には、この発明によ
るヒートポンプはその作動形態が逆になり、ある
時はヒートポンプとして、またある時は家庭用冷
房機器における空気調和型冷却ユニツトとして作
動するように設計されていることである。

この発明を一層良く理解できるようにするた
め、次に添付図面を参照してこの発明を特定の実
施例の構造および作動について詳細に説明する。

まず第１図を参照すれば、クロロフルオロハイ
ドロカーボン冷媒のような作動流体はコンプレツ
サＰによつて、コンデンサＣ、適当な弁Ｖおよび
エバポレータＥの順にそのシステム内を循環され
る。エバポレータＥにおいて、作動流体は管線６
内を流れる周囲熱源の流れと熱交換することで蒸
発する。蒸気は管線１を通つてコンプレツサＰに
供給され、そのコンプレツサＰ内で圧力が増大さ
れる。コンプレツサＰからの蒸気は管線２を経て
コンデンサＣに送られ、そこで管線３内を流れる
被加熱媒体に熱を奪われて液体に凝縮される。最
後に液体は管線４、膨張弁Ｖおよび管線５を経て
エバポレータＥに戻される。

容易にわかるように、ヒートポンプに対する入
熱はエバポレータＥにおいて周囲流体から取出さ
れる低品位熱である。出熱はコンデンサＣ内で被
加熱媒体によつて取出されたものである。

第２図に概略的に示されたこの発明によるヒー
トポンプの実施例は第１図の構成要素を有し、こ
れらはポンプと共に回転する軸に文字Ｓの箇所で
図示順序で取り付けられている。この図では、第
１図のものに対応する部分は同じ符号や文字を用
いて示されている。明らかなように、流体がヒー
トポンプを流れる順序は本質的に第１図と同じで
あるが、構成要素を回転軸に近接して並置するこ
とにより、第１図から明らかなものよりも一層小
型のユニツトの組立体を得ることが可能となる。
第２図における管線６は周囲空気をエバポレータ
Ｅに案内する通路である。第２図の管線３は被加
熱液体媒体が回転圧縮型ヒートポンプを通過する
際に通る通路である。

ガス状被加熱媒体を用いたこの発明によるヒー
トポンプは第３図の縦断面図に示されており、こ
の図でも回転軸線は文字Ｓで示されている。理解
を容易にするため、第１，２図について既に説明
した機能を行なうヒートポンプロータの部分、す
なわちコンデンサ、コンプレツサおよびエバポレ
ータはそれぞれ文字Ｃ，Ｐ、およびＥで示されて
いる。なお、第４図は、第３図の一部を拡大した
図である。

次に、第３，４図を参照すれば、図示ヒートポ
ンプは軸線Ｓの周りに対称であり、主として形状
の異なる一連の組合せ円板および環状板で形成さ
れている。円板および環状板は薄板金を打抜いて
形成することができ、またヒートポンプは円板お
よび環状板を管状導管７の周りに適当な順序で積
重ねることで組立てられることができ、前記導管
７は構造体に対する軸方向支持部を形成してい
る。

ヒートポンプは作動中導管７を駆動することに
よつて回転される。周囲空気は、矢印Ａで示され
るように、開口部８からエバポレータＥ内に吸引
され、矢印Ｂで示されるように、環状空気通路９
を経て半径方向外方に送出される。前記通路９に
はフイン１０を取付け、空気から隣接した環状板
への熱の伝達を助けるようにするのが有利であ
る。各対の空気通路９，９の間には一対の環状板
１１が配置されている。

板１２と１３の間には半径方向通路が形成され
（第３図では、板１２と１３が密着しているよう
に図示されているが実際には、これら板の間に半
径方向通路が形成される）、この通路を経て、液
状の作動流体は、Ｘで示される地点において、マ
ニホルド１４に供給される。そしてそこから、液
状の作動流体は、ポート１５を経て、対になつた
板１１により形成された半径方向通路１６へ送ら
れる。これらの通路１６は、エバポレータの構造
体全体を支持する分離器板１７を備えている。通
路９内の空気から板１１をその厚さ方向に横切つ
て伝達される熱を吸収することによつて、液状の
作動流体は、通路１６の中で蒸気に変換され、こ
の蒸気は、回転軸線から遠ざかる向きで通路１６
の中を流れ、ロータの外周に隣接した通路１８の
中に流入し、この通路１８からコンプレツサＰに
流れる。

コンプレツサＰは、前述したように、蒸気を圧
縮するのに使用される任意の形式のものでよい
が、第３図に望ましいものとして図示されている
のは、歯車ポンプ形式のコンプレツサである。こ
の歯車ポンプ形式のコンプレツサＰは、回転する
導管７に同軸線に取付けられた主歯車１０１と、
歯車係合１０２によつて主歯車１０１に係合する
従歯車１０３とを有し、導管７の回転によつて、
蒸気は、通路１８から通路１９に圧送され、さら
にコンデンサＣに送られる。

コンデンサＣは、エバポレータＥと同様な構造
のものであつて、通路１９からの圧縮された蒸気
は、対になつた板２０によつて形成される通路２
２（これは支持板を備える）を通つて回転軸線Ｓ
から遠ざかる向きに流れる。被加熱ガス状媒体た
とえば空気は、矢印Ｅで示すように、開口部２５
を経てヒートポンプに進入し、そして板２０の間
に形成された通路２１内を、軸線Ｓから遠ざかる
向きに流れる。被加熱ガス状媒体たとえば空気の
ための通路２１には、フインが取付けられてい
る。通路２２内の作動流体の蒸気は、板２０から
被加熱ガス状媒体に逃げる熱の損失によつて、板
２０の面上で液状の作動流体を形成するように凝
縮される。液状の作動流体はロータの周囲に隣接
した通路２３内に集められ、そして絞り弁（図示
されていない）および通路２４を経て、板１２と
１３の間に形成された通路から地点Ｘに戻され
る。

被加熱媒体に液体を用いたこの発明によるヒー
トポンプは第５図の縦断面図で示され、ここでも
回転軸線は文字Ｓで示されている。第５，６図で
は、第３，４図のものに対応する部分は同じ符号
および文字を用いて示されている。

次に第５，６図を参照すれば、第５図のエバポ
レータＥおよびコンプレツサＰは第３図に示され
たエバポレータおよびコンプレツサと同じ構成お
よび作動形態を有している。コンプレツサＰか
ら、蒸気作動流体は通路１９を経てコンデンサＣ
に移送される。コンデンサＣでは、蒸気は軸線Ｓ
の周りに対称に配置された多数の開口部３４を経
て板２６，２７，２８，２９，３０，３１，３
２，３３の組立体に送られるが、前記板は作動流
体の流れ〔第６図ａに示されている〕および被加
熱液体媒体〔第６図ｂに示されている〕に対する
１つおきの通路を形成するように配置されてい
る。蒸気は板の間を流れ、その面上で凝縮する。
液体作動流体は半径方向外方に流れ、ロータの周
囲に隣接した通路２３内に集められ、そして絞り
弁（図示されていない）および軸方向通路２４を
経て、板１２，１３により形成された半径方向通
路に戻される。

被加熱液体媒体、代表的には水は、導管７内の
管線３５および導管７の周りに対称にかつそれに
隣接して配置された多数の開口部３６を経て、前
記板の組立体に供給される。第６図ｂに示され
た、被加熱媒体の流れに対する１つおきの通路で
は、水はまず半径方向外方に流れ、次に半径方向
内方に流れ、そして作動流体の凝縮作用によつて
板から熱を得る。被加熱液体媒体はポート３８を
経て導管７内の管線３７に排出される。

さらにこの発明を次の実施例により説明する。

実施例 断熱絞り弁を用いた、第５図に示されたこの発
明による回転圧縮型ヒートポンプの実施例では、
作動流体はハロゲン化炭化水素冷媒である。

(a)加熱作動流体の蒸気は273〓の温度および
0.25バールの蒸気圧力でエバポレータを出るもの
と、(b)エバポレータ内の飽和液体温度は268.2〓
であるものとさらに(c)液体作動流体は341〓の温
度および3.5バールの蒸気温度でコンデンサを出
るものと仮定する。

この結果次の計算式が成立つ。

(a) コンデンサ内の作動流体により発生した熱は
23.7×10⁶J／Kmolであり、 (b) エバポレータ内の作動流体により吸収された
熱は17.3×10⁶J／Kmolであり、 (c) コンプレツサにより行なわれた仕事は6.4×
10⁶J／Kmolであり、さらに (d) 成績係数（COP）は次の方程式から3.7であ
る。

COP＝発生した熱／行なわれた仕事

【図面の簡単な説明】

第１図は回転圧縮型ヒートポンプの構成要素を
概略的に示す説明図であり、第２図は被加熱流体
に液体を用いたこの発明によるヒートポンプの一
実施例において前記構成要素の並置状態および流
体の流れを示す説明図であり、第３図はこの発明
によるヒートポンプの縦断面図であり、第４図は
第３図に示されたヒートポンプの一部の拡大図で
あり、第５図はこの発明によるヒートポンプの縦
断面図であり、さらに第６図ａおよびｂはそれぞ
れ第５図に示されたヒートポンプの一部の拡大図
である。 Ｐ：コンプレツサ、Ｃ：コンデンサ、Ｅ：エバ
ポレータ、Ｓ：回転軸線、１〜６，３５，３７：
管線、７：導管、１１，１２，２０，２６〜３
３：板、８，２５，３４，３６：開口部、９，１
６，１８，１９，２２〜２４：通路、１４：マニ
ホルド、１５，３８：ポート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少くとも、１つのエバポレータ、１つのコン
   プレツサおよび１つのコンデンサを有し、エバポ
   レータが、１つまたは多くの回転できる円板とし
   て形成され、この円板が、その回転軸線を横切３
   平面の中で回転し、熱伝達が、円板の一方の面に
   おける熱源流体から、円板の他方の面における蒸
   発させるべき液体に、円板を介してその厚さ方向
   に行なわれる、圧縮型ヒートポンプにおいて、液
   体が、回転軸線に接近した円板の区域において、
   円板の前記の他方の面に供給され、円板の回転速
   さが、重力による加速度より大きい遠心加速度に
   よつて、前記の他方の面に沿つて回転軸線から遠
   ざかる向きに得体を押し進めるように、選択され
   ること、を特徴とする圧縮型ヒートポンプ。 ２ 加速度が5Gと1000Gの間である、特許請求
   の範囲第１項に記載の圧縮型ヒートポンプ。 ３ エバポレータが、軸線方向に離れた多くの平
   行で回転できる板の形をなし、この板を介して、
   その厚さ方向に熱伝達が行なわれる、特許請求の
   範囲第１項に記載の圧縮型ヒートポンプ。 ４ コンデンサが、軸線方向に離れた多くの平行
   で回転できる板の形をなし、この板を介して、そ
   の厚さ方向に熱伝達が行なわれる、特許請求の範
   囲第１項に記載の圧縮型ヒートポンプ。 ５ エバポレータを有し、このエバポレータが、
   回転軸と共に回転するようにこの回転軸に取付け
   られ、少くとも１つの板を備え、この板の第１面
   に沿つて、熱の周囲流体源が流され、この板の第
   ２面に沿つて、凝縮した作動流体が流されかつそ
   こから蒸発でき、 コンデンサを有し、このコンデンサが、前記回
   転軸と共に回転するように前記回転軸に取付けら
   れ、少くとも１つの板を備え、この板の第１面に
   沿つて、蒸発し圧縮された作動流体が流されかつ
   そこで凝縮され、この板の第２面に沿つて、加熱
   すべき媒体が流され、 コンプレツサを有し、このコンプレツサが、前
   記回転軸に取付けられ前記回転軸によつて駆動さ
   れるに適し、このコンプレツサが、エバポレータ
   からの蒸発した作動流体を受取りできかつ圧縮さ
   れた作動流体をコンデンサに送出でき、 コンデンサにおける圧力を高い水準に維持する
   流れ制限弁を有し、 前記回転軸を回転させる駆動手段を有し、 前記板のおのおのが、その回転軸線を横切る平
   面の中で回転する円板の形をなす、 特許請求の範囲第１項に記載の圧縮型ヒートポン
   プ。 ６ コンデンサにおける少くとも１つの板の前記
   第１面が、蒸発した作動流体を、連続な安定した
   液体フイルムとしてよりもむしろ液滴として、凝
   縮させるに都合のよい表面を有する、特許請求の
   範囲第５項に記載の圧縮型ヒートポンプ。 ７ エバポレータにおける、少くとも１つの板の
   前記第２面が、これへの液体の連続したフイルム
   の保持を援ける表面を有する、特許請求の範囲第
   ５項に記載の圧縮型ヒートポンプ。 ８ 軸線方向に離れた平行で回転できる板のうち
   の相隣る板の間に形成される通路の平均軸線方向
   深さが、0.5mmと10mmの間である、特許請求の範
   囲第３項または第４項に記載の圧縮型ヒートポン
   プ。