JPS5952343B2 - 熱ポンプ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱ポンプに係り、特に冷暖房装置などに用いる
のに適した熱ポンプ装置に関するものである。

低温部より高温部に熱を移動させる熱ポンプ装置は冷暖
房装置として多く用いられている。

すなわち夏は屋内の熱を屋外に放出して冷房を行ない、
冬は屋外より屋内に熱を移動させて暖房を行なうもので
あるが、この温度調節は一般にはフレオンガスのような
冷媒を用い、圧縮時の加熱効果と膨張時の冷却効果を利
用したものである。

第１図は従来から冷暖房用として一般に用いられている
熱ポンプ装置を示す説明図であり、圧縮機Ａ、蒸発器Ｂ
、？ｌ縮器Ｃ１絞り弁りなどによって構成されている。

圧縮機Ａは蒸発器Ｂで気体となった低圧の冷媒ガスを吸
入し圧縮して高温、高圧状態とし、そのまま凝縮器Ｃに
送る。

高温、高圧の冷媒ガスは凝縮器Ｃで冷却され液化して放
熱し周囲を加熱する。

液化した冷媒は絞り弁りで減圧され、膨張して蒸発器Ｂ
で蒸発して再び気体となる。

このとき周囲より熱を奪い周囲を冷却する。

蒸発した冷媒ガスは再び圧縮機Ａに吸入されてサイクル
を完了するもので゛ある。

このサイクル中に凝縮器Ｃで外部に放出する熱を暖房に
利用し、蒸発器Ｂで生じた冷却力を冷房に利用する。

このときの暖房、冷房の切換えは弁の切換操作により冷
媒又は冷媒によって加熱、冷却された循環液の流れの方
向を変えることによって行なわれている。

上記のような冷媒を用いた蒸気圧縮式の熱ポンプ装置は
、最も広く使用されているものであるが、この冷媒に多
くの問題点が残されている。

すなわち現在使用されている冷媒は冷凍能力、安全性、
経済性のすべてを満足するものはなく、いずれかの欠点
を備えている。

たとえば冷凍能力にすぐれ安価な冷媒は有毒であり、比
較的安全な冷媒は高価であるなど決して好ましい方法と
はいえない。

このため完全な漏洩防止が要求され構造を複雑にするの
みならず装置自体を高価なものとしている。

一方冷媒を用いない熱ポンプ装置として空気を圧縮、膨
張させて冷暖房を行なわしめることも考えられているが
、断熱的な圧縮膨張を行なわしめるため効率は著しく低
下する。

また必要な冷暖房を行なうのに大量の空気を使用する必
要があり、消費動力が著しく増大するという大きな欠点
がある。

本発明の目的は、上記のような問題点を解決するため、
多段のベーン型圧縮機及び膨張機を用い、圧縮、膨張の
過程において気体を熱交換機を通して加熱又は冷却を行
ない、等温に近い状態で圧縮、膨張を行なわせ、圧縮に
要する動力を低減し、又、膨張過程で有効に動力を回収
し高効率でしかも冷媒を必要としない熱ポンプ装置を提
供せんとするものである。

以下本発明の実施例を図面に基いて詳細に説明する。

第２図は二段式の圧縮装置１、二段式の膨張装置２、駆
動装置３および熱交換装置４とによって構成された熱ポ
ンプ装置を示すものである。

圧縮装置１は、第１段圧縮機５と第２段圧縮機６（第２
図では最終段圧縮機）によって構成され、第１段圧縮機
５には吸入口Ｓｏを、また第２段圧縮機６には吐出口Ｄ
Ｏを各々１個備えている。

第１段圧縮機５には中間吐出口ＤＩ １． ＤＩ ２．
ＤＩ３、ＤＩ４を備え、また第２段圧縮機６には中間
吸入口Ｓ２１．Ｓ２２．Ｓ２３．Ｓ２４を備えるもので
ある。

これらの相互に隣接する中間吐出口Ｄ１１とＤＩ２、Ｄ
Ｉ２とＤＩ３、ＤＩ３とＤＩ４の間および中間吸入口Ｓ
２１とＳ２２、Ｓ２２とＳ２３、Ｓ２３とＳ２４の間に
は常に１枚以上のベーン７１および７２を介在させ、ま
た中間吐出口ＤＩ １．ＤＩ ２．ＤＩ３．ＤＩ４とこ
れに対応する中間吸入口Ｓ２１．Ｓ２２．Ｓ２３．Ｓ２
４との間は放熱装置８に介装させたパイプ群Ｐ１１、Ｐ
Ｉ３．ＰＩ３．ＰＩ３によって連結されている。

膨張装置２は、第１段膨張機９と第２段膨張機１０ （
第２図では最終段膨張機）によって構成され、第１段膨
張機９には給気口Ｓｏｏをまた第２段膨張機１０には排
気口Ｄｏｏを各々１個備えている。

第１段膨張機９には中間排気口Ｄ３１．Ｄ３２、Ｄ３３
．Ｄ３４を備え、また第２段膨張機１０には中間給気口
Ｓ４１．Ｓ４２，５４３．Ｓ４４を備えるものである。

これらの相互に隣接する中間排気口Ｄ３１とＤ３２、Ｄ
３２とＤ３３、Ｄ３３とＤ３４の間および゛中間給気口
Ｓ４１とＳ４２、Ｓ４２とＳ４３、Ｓ４３とＳ４４の間
には常に１枚以上のベーン７３および７４を介在させ、
また中間排気口Ｄ３１．Ｄ３２．Ｄ３３．Ｄ３４とこれ
に対応する中間給気口Ｓ４１．Ｓ４２．Ｓ４３、Ｓ４４
との間には吸熱装置１１に介装させたパイプ群Ｐ３１．
Ｐ３２．Ｐ３３．Ｐ３４によって連結されている。

駆動装置３は、圧縮装置１の第１段圧縮機５、および第
２段圧縮機６と、膨張装置２の第１段膨張機９および第
２段膨張機９とを駆動軸１２によって連動可能に連結し
て構成され、又それ自体は正逆転可能である。

熱交換装置４は圧縮装置１の第２段圧縮機６の吐出口Ｄ
Ｏと膨張装置２の第１段膨張機９の給気口Ｓｏｏとの間
、および膨張装置２の第２段膨張機１０の排気口Ｄｏｏ
と圧縮装置１の第１段圧縮機５の吸入口Ｓｏとの間の連
結パイプＰ２およびＰ４に介装させ、独立したパイプＰ
２とＰ４二糸系統のみの熱交換手段を有するように構成
したものである。

以上の構成よりなる熱ポンプ装置の作用効果について説
明する。

まず駆動装置３が矢印方向に回転すると、駆動軸１２を
介して第１段、第２段の膨張機９，１０および第１段、
第２段の圧縮機５．６がともに矢印方向に回転を始める
が、第１段圧縮機５から順次説明する。

圧縮装置１の第１段圧縮機５においては、吸入口ＳＯよ
り気体を吸入し逐次圧縮されるが、その圧縮過程にある
気体が中間吐出口ＤＩ １． ＤＩ２、ＤＩ３．ＤＩ４
より逐次吐出される。

この吐出口ＤＩ １．ＤＩ２．ＤＩ３．ＤＩ４より吐出
された気体は、それぞれパイプｐＨ，ＰＩ３．ＰＩ３、
ＰＩ３を通り、途中の放熱装置８によって熱を放出冷却
され、第２段圧縮機６の中間吸入口Ｄ２１．Ｄ２２．Ｄ
２３．Ｄ２４に導かれる。

このとき第１段圧縮機５の中間吐出口ＤｌｌとＤＩ２、
ＤＩ２とＤＩ３、ＤＩ３とＤＩ４の間には常にベーン７
１が介在しているので、それぞれ圧縮比の異る気体が第
２段圧縮機６の中間吸入口Ｓ２１、Ｓ２２．Ｓ２３．Ｓ
２４に供給され各圧縮段階ごとにさらに圧縮されて吐出
口Ｄｏより吐出される。

この第２段圧縮機６においても中間吸入口Ｓ２１とＳ２
２、Ｓ２２とＳ２３、Ｓ２３とＳ２４の間には常にベー
ン７２が介在しているので、各段階ごとに再度圧縮され
て高圧の圧縮気体を吐出するもので゛ある。

このように第１段圧縮機５において圧縮された圧縮比の
異なる気体がそれぞれ独立してパイプＰ１１〜Ｐ１４に
導かれ、途中の放熱装置８を通るので、冷却効果を一段
と向上させることができる。

第２図では２個の圧縮機と１個の放熱装置を用いたが、
圧縮機と放熱装置をさらに増加させることにより、なお
一層ゆるやかな圧縮が可能となり、理想的な等温圧縮に
極めて近似した圧縮を行なうと共に放熱の効果を上げる
ことができるものである。

ここで、第２段圧縮機６の吐出量は第１段圧縮機５の吸
入量よりも、目的とする圧縮比で定まる量だけ少なくな
るように設定されているので、気体は目的の圧力に圧縮
されて吐出される。

この圧縮機間の容積変化の状況を第３図によって説明す
る。

前記第２図において第１段圧縮機５の二つのベーン７１
とローター１３１とケーシング１４１によって囲まれる
空間容積は駆動軸１２の回転角が０ （基準）のとき最
大であり、回転角の増加とともに第３図の点線のように
容積が変化し圧縮される。

また前記第２段圧縮機６の二つのベーン７２とローター
１３２とケーシング１４２によって囲まれる空間容積は
駆動軸１２の回転角がＯのとき最小であり、回転角の増
加とともに実線と点線で囲まれる面積のように容積が変
化する。

−実弟１段圧縮機５の中間吐出口ＤＩ １． ＤＩ ２
． ＤＩ３、ＤＩ４と第２段圧縮機６の中間吸入口Ｓ２
１、Ｓ２２．Ｓ２３．Ｓ２４とはそれぞれパイプ群ｐＨ
，Ｐ１２．Ｐ１３．Ｐ１４によって連結されているため
、その合計の容積は第３図において実線のように変化す
る。

従って全体として圧縮され、前記第１段圧縮機５の吸入
口Ｓｏから吸入された空気の全量が、第２段圧縮機６の
吐出口ＤＯから吐出される。

このように圧縮は全体として比較的緩やかに行なわれ従
ってベーン７１および７２の両側の圧力差は大きくなく
、摩耗および摩擦損失共に軽減することができるもので
ある。

次にＰ−ｖ線によって他の効果を説明する。

第４図は縦軸にそのときの圧力Ｐを、横軸に合計容積Ｖ
を示したＰ−Ｖ線図である。

前記第１段圧縮機５で第４図においてａまで吸入された
気体は前記ローター１３１の回転にともなって順次圧縮
され、各圧縮段階ごとに第２段圧縮機６に供給される。

このときの容積と圧力の変化は、′第４図において本来
点線で示すようにａ→ｂと移行するものであるが、途中
に設置された放熱装置８によって冷却されるので、実線
で示すようにａ→ｂ′と移行する。

このように空気を圧縮するときに必要な所要動力は前者
の場合ｄ −ａ−１） −ｃ、後者の場合ｄ−ａ−ｂ’
−ｃで囲まれる面積によって表わされる。

而して本発明における圧縮装置は、各圧縮段階において
、それぞれのパイプを流通する気体が放熱装置８によっ
て冷却されるので、第４図で明らかなように消費動力を
著しく低減することができる。

次に放熱装置８の詳細を説明する。

前記第１段圧縮機５によって圧縮された各圧縮段階ごと
の圧縮気体は、それぞれ圧縮比が異るので温度も当然異
るものである。

すなわち中間吐出口Ｄ１１から吐出される圧縮気体は比
較的低温であるが、Ｄ１２、Ｄ１３．Ｄ１４から吐出さ
れる圧縮気体は圧縮比が次第に増大するのでパイプｐＨ
，ＰＩ２、ＰＩ３．ＰＩ３内を流通する圧縮気体の温度
もパイプＰ１４に近い程上昇する。

従って比較的低温のパイプＰ１１を最下部に設置し以下
Ｐ１２、ＰＩ３ついでＰＩ３を最上部に設置して下方の
供給口１５から加熱すべき循環流体を供給し、上方の排
水口１６から加熱された循環流体を排出すると、熱交換
の効果を増大することができるものである。

膨張装置２の作用効果について説明する。

前述せる圧縮装置１の第２段圧縮機６の吐出口Ｄｏから
吐出された高圧の圧縮気体は、途中の熱交換装置４ （
詳細については後述する）を経て膨張装置２の第１段膨
張機９の給気口Ｓｏｏに供給される。

するとローター１３３とベーン７３とケーシング１４３
によって囲まれた圧縮気体は、その体積の膨張作用によ
ってローター１３３を矢印方向に回動せしめる。

つまり駆動軸１２に対し矢印方向の回動力を与えるもの
である。

この膨張過程にある気体が中間排気口Ｄ３１．Ｄ３２．
Ｄ３３．Ｄ３４より逐次排出される。

この中間排気口Ｄ３１゜Ｄ３２．Ｄ３３．Ｄ３４から排
出された気体は、それぞれパイプＰ３１．Ｐ３２．Ｐ３
３．Ｐ３４を通り、途中の吸熱装置１１によって加熱さ
れ、第２段膨張機１０の中間空気口Ｓ４１．Ｓ４２゜Ｓ
４３．Ｓ４４に導かれる。

このとき第１段膨張機９の中間排気口Ｄ３１とＤ３２．
Ｄ３２とＤ３３、Ｄ３３とＤ３４の間には常にベーン７
３が介在しているので、それぞれ膨張比の異なる気体が
第２段膨張機１０の中間給気口Ｓ４１．Ｓ４２゜Ｓ４３
．Ｓ４４に供給され、再び膨張し駆動軸１２に回転力を
与えながら各膨張段階ごとに排気口Ｄｏｏより排出され
る。

この第２段膨張機１０においても中間給気口Ｓ４１と５
４２、Ｓ４２とＳ４３、Ｓ４３とＳ４４の間には常にベ
ーン７４が介在しているので、各膨張段階の気体が混じ
ることはない。

上記のようにして第１段膨張機９において、それぞれ膨
張比の異る気体が独立してパイプＰ３１〜Ｐ３４に導か
れ途中の吸熱装置１１を通るので、圧縮気体の膨張過程
における温度低下、つまり断熱膨張によるエネルギーの
損失を防止することができるものである。

第２図では２個の膨張機と１個の吸熱装置を用いたが、
膨張機と吸熱装置をさらに増加させることにより、理想
的な等温膨張に近似し、第２段圧縮機６の吐出口ＤＯか
ら第１段膨張機９の給気口Ｓｏｏに供給される圧縮空気
のもつエネルギーのすべてを有効に活用すると共に、冷
却の効果を上げることができるものである。

次に吸熱装置１１の詳細を説明する。

第１段膨張機である程度膨張した各膨張段階ごとの気体
は、それぞれ膨張比が異るので温度も当然異るものであ
る。

すなわち中間排気口Ｄ３１から排出される気体は比較的
高温であるがＤ３２．Ｄ３３゜Ｄ３４から排出される気
体は膨張比が次第に増大するので、パイプＰ３１．Ｐ３
２．Ｐ３３．Ｐ３４内を流通する気体の温度も次第に降
下する。

従って比較的高温のパイプＰ３１を最上部に設置し、以
下Ｐ３２．Ｐ３３、ついでＰ３４を最下部に設置して、
上方の供給口１７から冷却すべき循環流体を供給し、下
方の排出口１８から冷却された流体を排出すると熱交換
の効果を増大することができるものである。

熱交換装置４の作用効果について説明する。

第２段圧縮機６吐出ロＤＯから吐出された高圧の圧縮気
体は、第１段膨張機９の給気口Ｓｏｏに供給されるこの
給気口Ｓｏｏに供給される圧縮気体の温度は、第２段膨
張機１０の排気口Ｄｏｏから排出される気体温度と等し
いことが最も望ましい。

同じく第１段圧縮機５の吸入口Ｓｏに供給される気体の
温度は、第２段圧縮機６の吐出口Ｄｏから吐出される高
圧の圧縮気体の温度と等しいことが最も望ましい。

これは高温側の圧縮過程と低温側の膨張過程とを、熱損
失を最小限にして結び、高効率の熱サイクルを完成せし
めようとするためである。

従ってこの熱交換装置４は放熱装置８あるいは吸熱装置
１１とは異なり、断熱材２７で外気とは完全に遮断した
状態で、パイプＰ２とＰ４との間において、それぞれの
有する熱エネルギーを交換させることにより、熱ポンプ
装置の熱効率を著しく高めることか゛できるものである
。

以上の圧縮装置１による圧縮過程と膨張装置２による膨
張過程と熱交換装置４による昇温および降温過程よりな
る熱サイクルをＴ−８線図で説明する。

第５図は縦軸に絶対温度Ｔを横軸にエントロピーＳを示
したＴ−３線図である。

前記第１段圧縮機５で第５図ａの状態で吸入された気体
は、第２段圧縮機６に送り込まれる過程において、放熱
装置８によって放熱し冷却されるので、殆んど等温的に
圧縮され、ｂの状態になる。

第２段圧縮機６を出た気体は熱交換装置４で第２段膨張
機１０より吐出された気体と熱交換して冷却されたＣの
状態となり第１段膨張機９に吸入される。

続いて第２段膨張機１０に送り込まれる過程において、
吸熱装置１１により吸熱し、温度の低下が防止され、殆
んど等温的に膨張し、ｄの状態となり、第２段膨張機１
０より吐出される。

前述の如くここで第２段圧縮機６を出た気体と熱交換を
行なって昇温し、ａの状態に戻り再び第１段圧縮機５に
吸入される。

以上のサイクルで外部に放出した熱量は面積ａ、 ｂ
、 ｂ’、 ａ’で示され、外部より吸収した熱量は面
積ｃ、 ｄ、 ｄ’、 ｃ’で示される。

熱交換装置４で交換された熱交換装置４で交換された熱
量は、ａ、 ａ’、 ｄ’、 ｄとす、 ｃ、 ｃ
’、 ｂ’とで略等しい。

従って駆動装置３が消費した動力は面積ａｂｃｄで示さ
れる熱ポンプの効率を表わす成績係数εはで示される。

Ｔａは第１段圧縮機５の入口での気体の温度、Ｔｄは第
２段膨張機１０の出口での気体の温度である。

従って第５図より、上記構成の熱ポンプが極めて高効率
であることが明らかである。

次に駆動装置３の作用効果について説明する。

前述のように圧縮装置１の第１段、第２段圧縮機５．６
は駆動軸１２を介して駆動されるものであるが第２段圧
縮機６の吐出口Ｄｏから吐出され、膨張装置２の第１段
膨張機９の給気口Ｓｏｏに供給された圧縮気体は、逆に
駆動軸１２に回転力を与えるものである。

従って前述せる圧縮装置１の消費電力と膨張装置２のな
す仕事量との差だけの僅かな駆動力を伝達することによ
って、その目的を達成することができるものである。

以上の説明はベーン型圧縮装置１に配設された第１段、
第２段圧縮機５，６の駆動軸１２およびベーン型膨張装
置２に配設された第１段、第２段膨張機９，１０の駆動
軸１２を共通としたもの、つまり４個のローター１３１
，１３２，１３３゜１３４がすべて同一回転数で回転す
る構成であるが、以下４個のローターの回転数を異なら
しめた場合の作用効果について説明する。

まず圧縮装置１において第１段、第２段圧縮機５．６の
回転数が同一である場合には、第２段圧縮機６の吐出量
は、第１段圧縮機５の吸入量よりも、目的とする圧縮比
で定まる量だけ少なくなるように設定されなければなら
ないことは前述の通りである。

つまり第１段から最終段に至るまでの圧縮機は、すべて
その容積が異るもので構成されなければ目的を達成する
ことができない。

しかるに本実施例における複数個の圧縮機の回転数を異
ならしめた圧縮装置においては、第１段から最終段に至
るまでの圧縮機の容量を必ずしも異ならしめる必要はな
く、すべて同一容量の圧縮機を用いても充分その目的を
達成し得るものである。

すなわち同一容量の圧縮機を用いた場合には第（ｍ−１
）膜圧縮機の回転数を第ｍ段圧縮機の目的とする圧縮比
に対応する回転数で回転させることにより目的を達成す
ることができる。

このように同一容量の圧縮機を使用し得ることは消耗部
品の交換あるいは予防保全などの面において極めて便利
である。

また複数個の圧縮機の回転数を異ならしめる方法として
は、一駆動源に複数個の変速装置を用いても良いし、複
数個の駆動源を設置することも勿論可能である。

また膨張装置２の第１段膨張機９と第２段膨張機１０と
を同一軸とせず、強制的に回転数を変えることも可能で
ある。

すなわち熱ポンプ装置においては、圧縮比、膨張比およ
び圧縮機、膨張機の容積比は、放熱装置８および吸熱装
置１１の高熱源、低熱源の温度により、その最適値が変
化するものである。

従って圧縮装置１及び、又は膨張装置２の回転数を変化
させ、前記圧縮比、膨張比および容積比を最適値に選定
することもできるものである。

以上説明した熱ポンプ装置はローター１３１゜１３２．
１３３，１３４に装着されたベーン７１．７２，７３，
７４が半径方向に摺動する圧縮機および膨張機によって
構成されたものであるが、第６図に示す軸方向摺動翼型
の圧縮兼膨張機を用いると、さらにすぐれた多くの効果
を期待することができるものである。

次に本発明による他の実施例を図面に基いて詳細に説明
する。

第６図および第７図は各々軸方向摺動翼型の多段型圧縮
兼膨張機１９の構成を示し、第８図は要部断面と気体の
流通経路を示すものである。

第６図において圧縮兼膨張機１９は第１段圧縮作動室２
０、第２段圧縮作動室２１および第１段膨張作動室２２
、第２段膨張作動室２３によって構成されている。

この圧縮兼膨張機１９は中空円筒状のケーシング１４内
に駆動軸１２を固着したローター１３が同心かつ回転自
在に介装されている。

ローター１３にはベーン７が軸方向に摺動し得るように
装着されておりカム２４，２５．２６，２７に密接し摺
動しながら回転する。

従って駆動軸１２が回転するとローター１３とベーン７
とカム２４，２５，２６，２７とによって囲まれた各作
動室２０，２１，２２，２３の空間容積は逐次その容積
を増減するので圧縮又は膨張作用を行なわしめるもので
ある。

第７図および第８図において第１段圧縮作動室２０は吸
入口Ｓｏと中間吐出口Ｄｌｌ、Ｄ１２゜ＤＩ３．ＤＩ４
を備え、第２段圧縮作動室２１は中間吸入口Ｓ２１．Ｓ
２２．Ｓ２３．Ｓ２４と吐出口Ｄｏを有するもので゛あ
る。

この中間吐出口Ｄ１１、ＤＩ ２．ＤＩ ３．ＤＩ４と
これに対応する中間吸入口Ｓ２１．Ｓ２２．Ｓ２３．Ｓ
２４とはパイプｐＨ，ＰＩ３．ＰＩ３．ＰＩ３によって
連結され途中に放熱装置８が設置されている。

また第１段圧縮作動室２０の中間吐出口ＤｌｌとＤＩ２
、ＤＩ２とＤＩ３、ＤＩ３とＤＩ４の間には常にベーン
７が介在し、第２段圧縮作動室２１の中間吸入口Ｓ２１
とＳ２２、Ｓ２２とＳ２３、Ｓ２３と８２４の間にも常
にベーン７が介在するようになっている。

次に第１段膨張作動室２２は給気口Ｓｏｏと中間排気口
Ｄ３１．Ｄ３２．Ｄ３３．Ｄ３４を備え、第２段膨張作
動室２３は中間給気口Ｓ４１．Ｓ４２、Ｓ４３．Ｓ４４
と排気口ＤＯｏを有するもノテある。

この中間排気口Ｄ３１．Ｄ３２．Ｄ３３゜Ｄ３４とこれ
に対応する中間給気口Ｓ４１．Ｓ４２、Ｓ４３．Ｓ４４
とはパイプＰ３１．Ｐ３２゜Ｐ３３．Ｐ３４によって連
結され、途中に吸熱装置１１が設置されている。

また第１段膨張作動室２２の中間排気口Ｄ３１とＤ３２
、Ｄ３２とＤ３３、Ｄ３３とＤ３４の間には常にベーン
７が介在し、第２段膨張作動室２３の中周給気口Ｓ４１
とＳ４２、Ｓ４２とＳ４３、Ｓ４３と８４４の間にも常
にベーン７が介在するようになっている。

なお第６図において駆動装置３は駆動軸１２を介してロ
ーター１３を回動させるものである。

熱交換装置４は第７図および第８図に示すように、第２
段圧縮作動室２１の吐出口Ｄｏと第１段膨張作動室２２
の給気口Ｓｏｏとの間、および第２段膨張作動室２３の
排気口Ｄｏｏと第１段圧縮作動室２０の吸入口Ｓｏとの
連結パイプＰ２およびＰ４に介装させ、独立したパイプ
Ｐ２とＰ４二糸系統のみの熱交換手段を有するように構
成したものである。

以上の構成よりなる熱ポンプ装置の作用効果について説
明する。

まず駆動装置３が回転すると駆動軸１２を介してロータ
ー１３が回転を始め第１段、第２段圧縮作動室２０．２
１および第１段、第２段、膨張作動室２２．２３におい
てそれぞれ圧縮または膨張作用が始まるが、第１段圧縮
作動室２０から順次説明する。

第１段圧縮作動室２０では吸入口Ｓｏから気体を吸入し
逐次圧縮されるが、その圧縮過程にある気体が中間吐出
口ＤＩ １．ＤＩ ２．ＤＩ３．ＤＩ４から逐次吐出さ
れる。

この吐出された気体はそれぞれパイプｐＨ，ＰＩ３．Ｐ
Ｉ３．ＰＩ３を通り、途中の放熱装置８によって熱を放
出冷却され、第２段圧縮作動室２１の中間吸入口Ｓ２１
゜Ｓ２２．Ｓ２３．Ｓ２４に導かれる。

このとき第１段圧縮作動室２０の中間吐出口ＤｌｌとＤ
Ｉ２、ＤＩ２とＤＩ３、ＤＩ３とＤＩ４の間には常にベ
ーン７が介在しているので、それぞれ圧縮比の異る気体
が第２段圧縮作動室２１の中間吸入口Ｓ２１．Ｓ２２．
Ｓ２３．Ｓ２４に供給され、各圧縮段階ごとにさらに圧
縮されて吐出口ＤＯより吐出される。

この第２段圧縮作動室２１においても中間吸入口Ｓ２１
とＳ２２、Ｓ２２とＳ２３、Ｓ２３とＳ２４の間には常
にベーン７が介在しているので、それぞれ圧縮比の異る
気体が各圧縮段階ごとにさらに圧縮され吐出口Ｄｏより
高圧の圧縮気体を吐出するものである。

このように第１段圧縮作動室２０で圧縮された圧縮比の
異る気体が、それぞれ独立してパイプｐＨ，ＰＩ３．Ｐ
Ｉ３、ＰＩ３に導かれ途中の放熱装置８を通るので、放
熱冷却効果を一段と向上させることができる。

第６図〜第８図では２段の圧縮作動室と１個の放熱装置
を用いたが、圧縮作動室と放熱装置をさらに増加させる
ことにより、なお一層緩やかな圧縮が可能となり、理想
的な等温圧縮に極めて近似した圧縮を行なうと共に、放
熱の効果を上げることができるものである。

ここで第２段圧縮作動室２１の吐出量は、第１段圧縮作
動室２０の吸入量よりも目的とする圧縮比で定まる量だ
け少なくなるように設定されているので、気体は目的の
圧力に圧縮されて吐出される。

この第１段と第２段圧縮作動室２０および２１間の容積
変化の状況は、第３図によって前述の通りである。

また消費動”’ｆ５−ｃｂ低減効果についても、第４図
のＰ−Ｖ線図による前述の効果と同様である。

次に放熱装置８の詳細について説明する。

第８図において第１段圧縮作動室２０によって圧縮され
た各圧縮段階ごとの圧縮気体は、それぞれ圧縮比が異る
ので温度も当然具るものである。

すなわち中間吐出口Ｄ１１から吐出される圧縮気体は比
較的低温であるがＤＩ２．ＤＩ３．ＤＩ４から吐出され
る圧縮気体は圧縮比が次第に増大するので゛、パイプブ
ｐＨ，ＰＩ３．ＰＩ３．ＰＩ３内を流通する圧縮気体の
温度もＰＩ３に近い程上昇する。

従って比較的低温のパイプｐＨを最下部に設置し、以下
Ｐ１２．Ｐ１３ついでＰＩ３を最上部に設置して下方の
供給口１５から加熱すべき循環流体を供給し、上方の排
出口１６から加熱された循環流体を排出すると熱交換効
果を増大することができるものである。

第２段圧縮作動室２１の吐出口Ｄｏから吐出された高圧
の圧縮気体は、熱交換装置４を経て第１段膨張装置の給
気口Ｓｏｏに供給される。

ローター１３とベーン７とカム２４，２５，２６，２７
によって囲まれた圧縮気体は、その体積の膨張作用によ
ってローター１３を介して駆動軸１２に回転力を与える
ものである。

この膨張過程にある気体が中間排気口Ｄ３１．Ｄ３２．
Ｄ３３．Ｄ３４より逐次排出される。

この排出された気体は、それぞれパイプＰ３１．Ｐ３２
．Ｐ３３．Ｐ３４を通り、途中の吸熱装置１１によって
加熱され、第２段膨張作動室２３の中間給気口Ｓ４１．
Ｓ４２゜Ｓ４３．Ｓ４４に導かれる。

このとき第１段膨張作動室２２の中間排気口Ｄ３１とＤ
３２、Ｄ３２とＤ３３、Ｄ３３とＤ３４の間には常にベ
ーン７が介在しているので、それぞれ膨張比の異る気体
が、第２段膨張作動室２３の中間給気口Ｓ４１゜Ｓ４２
．Ｓ４３．Ｓ４４に供給され、再び膨張し駆動軸１２に
回転力を与えながら排気口Ｄｏｏより排出される。

このように第１段膨張作動室２２の中間排気口Ｄ３１．
Ｄ３２．Ｄ３３．Ｄ３４からそれぞれ膨張比の異る気体
が独立してパイプＰ３１．Ｐ３２、Ｐ３３．Ｐ３４に導
かれ、途中の吸熱装置１１を通るので、圧縮気体の膨張
過程における温度低下、つまり断熱膨張によるエネルギ
ーの損失を防止することができるものである。

第６〜８図では、２段の膨張作動室と１個の吸熱装置を
用いたが、膨張作動室と吸熱装置をさらに増加させるこ
とにより、なお一層緩やかな膨張が可能となり、理想的
な等温膨張に極めて近似した膨張を行うことができるも
のである。

従って第２段圧縮作動室２１の吐出口Ｄｏから第１段膨
張作動室２２の給気口Ｓｏｏに供給される圧縮気体の持
つエネルギーのすべてを有効に活用すると共に、冷却の
効果を上げることができる。

次に吸熱装置１１の詳細を説明する。

第１段膨張作動室２２である程度膨張した各膨張段階ご
との気体は、それぞれ膨張比が異るので温度も当然具る
ものである。

すなわち中間排気口Ｄ３１から排出される空気は比較的
高温であるが、ＤＢＰ。

Ｄ３３．Ｄ３４から排出される気体は膨張比が次第に増
大するので、パイプＰ３１．Ｐ３２．Ｐ３３、Ｐ３４内
を流通する気体の温度も次第に降下する。

従って比較的高温のパイプＰ３１を最上部に設置し、以
下Ｐ３２．Ｐ３３ついでＰ３４を最下部に設置して、上
方の供給口１７から冷却すべき循環流体を供給し、下方
の排気口１８から冷却された流体を排出すると、熱交換
の効果を増大することができるものである。

熱交換装Ｎ４の作用効果について説明する。

第２段圧縮作動室２１の吐出口Ｄｏがら吐出された高圧
の圧縮気体は、第１段膨張作動室２２の給気口Ｓｏｏに
供給される。

この給気口Ｓｏｏに供給される圧縮気体の温度は第２段
膨張作動室２３の排気口Ｄｏｏから排出される気体の温
度と等しいことが最も望ましい。

同じく第１段圧縮作動室２０の吸入口ＳＯに供給される
気体の温度は、第２段圧縮作動室２１の吐出口Ｄｏから
吐出される高圧の圧縮気体の温度と等しいことが最も望
ましい。

これは高温側の圧縮過程における温度上昇と、低温側の
膨張過程を熱損失を最小限にして結び、高効率の熱サイ
クルを完成せしめようとするものである。

従って、熱交換装置４は放熱装置８あるいは吸熱装置１
１とは異なり、断熱材２７で外気とは完全に遮断した状
態でパイプＰ２とＰ４の間において、それぞれの有する
熱エネルギーを交換させることにより、熱ポンプ装置の
熱効率を著しく高めることができるものである。

次に駆動装置３の作用効果について説明する。

第６図で明らかなように１個の駆動軸１２によって１個
のローター１３が駆動され、１枚のベーン７によって２
段の圧縮作動室２０．２１および２段の膨張作動室２２
．２３が構成されている。

圧縮作動室２０．２１では動力を消費するが、膨張作動
室２２，２３では逆に駆動軸１２に回転力を与えるもの
である。

従って前述せる通り圧縮作動室の消費動力と、膨張作動
室のなす仕事量との差だけの僅かな駆動力を伝達するこ
とによって、その目的を達成することができるものであ
る。

以上説明した第６図は軸方向摺動具型の多段作動室によ
って空気を圧縮、膨張させる構成としたので、熱ポンプ
装置そのものを極めてコンパクトな装置とすることがで
きる。

また第９図に示すような直径方向摺動具型の並列多段型
によって構成された装置であっても同じ目的を達成する
ことか゛できるものである。

以上説明したすべての熱ポンプ装置は、駆動装置３を正
転、逆転何れも可能なものとすることにより、すべての
諸装置の有する機能をそのまま逆に作動させることがで
きる。

つまり圧縮装置は膨張装置に、また膨張装置は圧縮装置
に変換し、放熱装置は吸熱装置に、また吸熱装置は放熱
装置に変換されるのである。

従って夏季においては冷房、冬季においては暖房に容易
に切換えることができる。

以下本発明の熱ポンプ装置を構成する圧縮装置１、膨張
装置２、駆動装置３および熱交換装置４のそれぞれの有
する特長を要約すると次の通りである。

圧縮装置１について 圧縮比の異る圧縮気体が各段階ごとに多段圧縮を繰り返
し、途中に設置された放熱装置８で放熱し冷却される。

従って、等温圧縮に極めて近似した緩やかな圧縮が可能
となり、消費電力を著しく低減し高圧の圧縮気体を得る
と共に、効果的に放熱を行なうことができる。

膨張装置２について 膨張比の異る空気が各段階ごとに多段膨張を繰返し、途
中に設置された吸熱装置１１で吸熱し加熱される。

従って、等温膨張に極めて近似した緩やかな膨張が可能
となり、供給された圧縮気体の詩つエネルギーのすべて
を有効に活用することができ消費電力を著しく低減させ
る。

熱交換装置４について 圧縮装置１から膨張装置２へ、また膨張装置２から圧縮
装置１へ供給される気体の持つエネルギーを、大気と遮
断して互に熱交換を行なわしめる。

従って熱ポンプ装置の高熱効率のサイクルを完成させる
ことができる。

駆動装置３について 圧縮装置１の消費電力は著しく低減され、膨張装置２で
は供給された圧縮気体のもつエネルギーのすべてを有効
に活用して回転力に変える。

従って僅かな駆動力によって熱ポンプ装置を作動するこ
とができる。

このように多くのすぐれた特長を備える諸装置を、主要
構成要素とする本発明の熱ポンプ装置は次のような効果
を有するものである。

（１） 冷媒を用いないので製造、使用、廃却後のす
べての期間に亘って安全、かつ清潔である。

（２）高価な冷媒を用いないので経済的である。

（３）膨張弁や切換弁などがなく構造簡単であり故障が
少い。

（４）作動気体には任意の気体が選べるので使用温度の
制限がない。

（５）高効率であるため運転の費用が少くてすむ。

（６）装置全体が小さくまとまるため、占有面積が小で
あり、車輌などにも搭載可能である。

（７）回転方向の切換だけで冷暖房の切換が可能であり
、操作が簡単である。

以上の説明で明らかなように本発明による熱ポンプ装置
は従来品にみられない新規な機能を備えるもので著しい
効果を得ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の熱ポンプ装置の経路図、第２図は本発明
の実施例を示す経路図、第３図は圧縮空気の容積変化説
明図、第４図はＰ−Ｖ線図、第５図はＴ−８線図、第６
図は軸方向摺動型圧縮兼膨張機の縦断面図、第７図は同
要部断面図、第８図は同経路図、第９図は直径方向摺動
具型並列多段圧縮兼膨張機の縦断面図である。 １：圧縮装置、２：膨張装置、３：駆動装置、４：熱交
換装置、５：第１段圧縮機、６：第２段圧縮機、７：ベ
ーン、８：放熱装置、９：第１段膨張機、１０：第２段
膨張機、１１：吸熱装置、１２：駆動軸、１３：ロータ
ー、１４：ケーシング、２０：第１段圧縮作動室、２１
：第２段圧縮作動室、２２：第１段膨張作動室、２３：
第２段膨張作動室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮装置、膨張装置、駆動装置および熱交換装置と
   からなり、上記圧縮装置は第１段〜最終段を構成する複
   数個のベーン型圧縮機を配設し、第１段圧縮機には吸入
   口をまた最終段圧縮機には吐出口を各々１個以上設け、
   第ｍ段圧縮機には中間吐出口を、第（ｍ＋１）膜圧縮機
   には中間吸入口を夫々複数個設け（ｍは１，２・・・の
   整数）、相互に隣接する前記中間吐出口間および仲間吸
   入口間には常に１枚以上のベーンを介在させ、前記中間
   吐出口とこれに対応する中間吸入口との間には、夫々放
   熱装置に介装させたパイプ群によって連結して構成し、
   上記膨張装置は第１段〜最終段を構成する複数個のベー
   ン型膨張機を配設し第１段膨張機には給気口をまた最終
   段の膨張機には排気口を各々１個以上設け、第ｎ段膨張
   機には中間排気口を、第（ｎ＋１）段膨張機には中間給
   気口を夫々複数個設け（ｎは１，２・・・の整数）、相
   互に隣接する前記中間排気口間および中間給気口間には
   常に１枚以上のベーンを介在させ前記中間排気口とこれ
   に対応する中間給気口の間は夫々吸熱装置に介装させた
   パイプ群によって連結して構成し、上記駆動装置は上記
   圧縮装置と上記膨張装置とを連動可能に連結して構成し
   、上記熱交換装置は上記圧縮装置の吐出口と上記膨張装
   置の給気口との間および膨張装置の排気口と圧縮装置の
   吸入口との間の連結手段に介装させ独立した一系統間の
   みの熱交換手段を有する如く構成したことを特徴とする
   熱ポンプ装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の熱ポンプ装置において
   、圧縮装置およびまたは膨張装置の回転数を異ならしめ
   たことを特徴とする熱ポンプ装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の熱ポンプ装置において
   、圧縮装置、膨張装置の何れかの駆動軸を共通としたこ
   とを特徴とする熱ポンプ装置。 ４ 特許請求の範囲第１項〜第３項の何れかに記載の熱
   ポンプ装置において、圧縮装置および／または膨張装置
   を軸方向摺動具型としたことを特徴とする熱ポンプ装置
   。 ５ 圧縮装置、膨張装置、駆動装置および熱交換装置と
   からなり、上記圧縮装置は第１段〜最終段を構成する複
   数個のベーン型作動室を有する多段型圧縮機を配設し、
   第１段作動室には吸入口をまた最終段作動室には吐出口
   を各々１個設け、第１段作動室には中間吐出口を、第（
   ｍ＋１）段作動室には中間吸入口を夫々複数個設け（ｍ
   は１，２・・・の整数）、相互に隣接する前記中間吐出
   口間および仲間吸入口間には常に１枚以上のベーンを介
   在させ、前記中間吐出口とこれに対応する中間吸入口と
   の間は、夫々放熱装置に介装させたパイプ群によって連
   結して構成し、上記膨張装置は、第１段〜最終段を構成
   する複数個のベーン型作動室を有するベーン型多段膨張
   機を配設し、第１段作動室には給気口をまた最終段の作
   動室には排気口を各々１個以上設け、第ｎ段作動室には
   中間排気口を、第（ｎ＋１）段作動室には中間給気口を
   夫々複数個設け（ｎは１，２・・・の整数）、相互に隣
   接する前記中間排気口間および仲間給気口間には１枚以
   上のベーンを介在させ、前記中間排気口とこれに対応す
   る中間給気口との間は夫々吸熱装置に介装させたパイプ
   群によって連結して構成し、上記駆動装置は上記圧縮装
   置と上記膨張装置とを連動可能に連結して構成し、上記
   熱交換装置は上記圧縮装置の吐出口と上記膨張装置の給
   気口との間および膨張装置の排気口と圧縮装置の吸入口
   との間の連結手段に介装させ独立した一系統間のみの熱
   交換手段を有する如く構成したことを特徴とする熱ポン
   プ装置。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の熱ポンプ装置において
   、圧縮装置および／または膨張装置を軸方向摺動翼室と
   したことを特徴とする熱ポンプ装置。