JPS6238625B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はいわゆる化石燃料を用いて加熱され
る集中暖房ボイラに置き換えることができるよう
なヒートポンプに関する。

［従来の技術］ 従来から室内の暖房用としてヒートポンプを用
いるための多数の提案がなされている。しかしな
がら実際に用いられているすべてのヒートポンプ
においてはその年間作業係数
（Jahresarbeitsziffer）が非常に低いのでバーナ
を用いて運転される加熱装置に対する熱コストよ
りも安価にならなかつた。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明はこのような欠点をもたず、そしてその
エネルギーコストに関する石炭、石油、あるいは
ガスによつて加熱される加熱装置と競合でき、そ
して実際上何等の保守を必要としないような、ヒ
ートポンプによつて駆動される加熱系を作り出す
ことを課題とする。

この課題は本発明に従う配置系によつて達成す
ることができる。他の、部分的に公知でもある装
置類との組合せが更に追加的なエネルギの節約を
もたらす。

［問題点を解決するための手段］ 本発明のエネルギ節約型のヒートポンプは回転
空気熱交換器４と、液体熱交換器１７，４２と、
前記熱交換器４，１７，４２と共に回転するコン
プレツサハウジング３，５２，５５，６３と、前
記熱交換器４，１７，４２および前記コンプレツ
サハウジング３，５２，５５，６３を駆動する駆
動装置を有し、前記駆動装置が駆動力モーメント
を、磁界を透過する隔壁８を通して、磁気的に駆
動される回転子６に磁気的に伝達し、さらにこの
回転子６からこれに連結されているコンプレツサ
回転子７，６０，６１，６５に伝達し、前記コン
プレツサハウジング３，５２，５５，６３がコン
プレツサ回転子７，６０，６１，６５の反動モー
メントによつて回転するヒートポンプにおいて、
前記熱交換器４，１７，４２およびコンプレツサ
ハウジング３，５２，５５，６３によつて構成さ
れている回転ユニツトがこのヒートポンプの重心
の上方で支承されていることを特徴とする。

［作用］ 本発明は、バーナーで運転される加熱装置がヒ
ートポンプによつて広範囲に置きかえられるべき
場合に満たされなければならないような種々の条
件から出発する。

これらの条件は： １ 住居に設けられるヒートポンプは騒音なく作
動するものでなければならない。送風器の騒音
は熱交換に必要な空気速度によつてではなく
て、生ずる凝縮水を吹き払う（Fortblasen）た
めに必要な空気速度によつて決定される。

２ ヒートポンプ装置は実際上保守が簡単でなけ
ればならない。

３ 熱供給側と熱消費側との間の温度勾配はでき
るだけ小さくなければならない。

４ ヒートポンプの効率はできるだけ大きくなけ
ればならない。

５ 寿命は加熱ボイラのそれにだきるだけ達しな
ければならない。

本発明はこれらの要求条件を満たすようなヒー
トポンプに関する。本発明に従えば、ヒートポン
プのコンプレツサは回転磁極リングを介して駆動
され、その回転磁極リングは透磁性の隔壁によつ
て、回転磁界をつくる駆動部とハーメテイツク
（空気遮断シールで）に隔壁され、さらにコンプ
レツサの固定子部分は回転磁極リング側に回転可
能に支承されており且つ回転している空気熱交換
器と一体に構成されている。

このようなコンプレツサ／送風ユニツトは既に
公知であるけれども、このものの欠点はその回転
可能なコンプレツサ／熱交換器ユニツトの装置を
ハーメテイツクに密閉された領域に包含させるこ
とができないという点であり、従つてこのような
装置はまた保守を必要とする軸受を有し、これは
更にその装置の大きな重量と避けることができな
い振動力とによつて非常に大きな軸受荷重を受
け、従つて騒音のない運転をすることができな
い。

本発明に従えば、このヒートポンプは一方にお
いては空気と、また他方において液体の熱媒体と
連通している。しかしこの液体の熱媒体の使用に
よつて、上述の保守が必要な軸受に、更に軸がシ
ールされていなくてはならないという条件が付加
される。

本発明は、回転軸がシールされて構成されると
ともに保守が不要な装置を提供する。

本発明によるとこの装置はほぼ半球状のベアリ
ング座（Lagerschale）及びこれに対して相対的
に動く突状の球形軸受部とから成つている。この
ユニツトは同時に軸の貫通路を構成し、液体熱媒
体（一般には水を用い、従つて以下においてこれ
は専ら水と記載する）は同時に潤滑剤の作用をす
る。適当な溝を介して軸受けの接触のない駆動を
保証するための液膜が流体動力学的に作り出され
る。この軸受部が互いに相対的に傾くことが可能
になつているので、軸の傾きによつて発生する力
が取り除かれる。

本発明によれば、上記の回転ユニツトとモータ
ーとから構成されている装置の重心の上方に軸受
けの中心点が配置されていることによつてより安
定な運転が保証される。この軸受の相互滑動部材
を構成する材料として、本発明に従えば好ましく
は極めて高い硬度と低い熱膨張係数とを有する非
金属材料、例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、
特にシリコンカーバイトが用いられる（これらの
材料は以下において硬質材料と呼ぶ）。これによ
つて、高速運転の場合、あるいはまた水中から固
い異物が軸受の隙間の中に入り込んだ場合等にお
ける軸受表面の摩耗が除かれるばかりでなく隙間
の間隔が一定に保たれる。このことは軸を気密に
シールする軸受の密封作用にとつて大きな意味を
もつている。

中心点の下方にある回転ユニツトの部分は、本
質的にいくつかの熱交換器から成つている。この
場合、作業媒体と水との間の熱交換器は回転熱交
換器の外周に沿つて空気熱交換器の下方に配置さ
れる。

空気熱交換器は本発明に従えば、内側の直径か
ら出発して先づ最初水が流れているパイプ列が貫
通しており、次により大きな直径のところではじ
めて作業媒体が流れているパイプ列が貫通するよ
うに構成されている。これによつてもし空気熱交
換器が熱を吸収する場合にはこの空気熱交換器は
送り込まれた熱のうちの液化温度以上の温度に相
当する部分をヒートポンプを迂回して直接水に伝
達することを保証する。熱が流れる向きが、反対
に熱が水から取り出されるべき場合には同様にし
て空気交換器に流入した空気の温度以上の温度に
相当する熱の部分が熱交換によつて空気流に伝達
されることが保証されている。作業係数
（Arbeitsziffer）を更に改善し、また従つて駆動
負荷を低下させるためのもう一つの処置は、本発
明に従えば凝縮液が液化水準から蒸発水準までそ
の圧力を低下させる際におこなう膨張が利用可能
な膨張仕事を作り出すために用いられるという点
にある。この膨張仕事の回収のために膨張―容積
型機関が設けられており、これはその構造におい
て圧縮空気機関に対応しておりこのものの出力は
再びコンプレツサーに送り込まれる。圧縮空気機
関はしかしながら油による潤滑を必要とする。し
かしながら本発明においてヒートポンプのために
用いられる如き膨張機関には気体ではなくて沸騰
しつつある液体が流入する。この液体は油膜を溶
解し、従つて油による潤滑は不可能である。それ
故本発明においては作業媒体自身を潤滑剤として
用いることを意図したものである。このことは本
発明によれば、この膨張機関の互いに相対的に滑
動する部分が硬質材料、中でもシリコンカーバイ
トから作られている場合に可能である。

通年作業係数の一層の改善が本発明によれば次
のように、即ちコンプレツサの相互滑動部材及び
場合により更に軸受けの相互滑動部材も同じ硬質
材料から成つているようにすることによつて可能
である。これによつて大きな剪断力をもたらすと
ころの油の使用が省略される。相互滑動部材の極
めて僅かな熱膨張によつてそれら相互滑動部材間
の密封間隙が常に一定に留まり、従つて作業媒体
あるいはこの作業媒体に加えられた、沸点が作業
媒体のそれよりも高い低粘度液体によつて密封と
潤滑とが行われる。このようなやり方は回転ヒー
トポンプ用のコンプレツサのみに限定されるもの
ではなくてすべての容積型流体機械において採用
することができる。

更に作業係数のもう一つの改善が本発明によつ
て次の如くにして可能である。即ち熱源として建
物の屋根板あるいは集中暖房配管の戻りを利用
し、またそのヒートポンプと共に一つまたは好ま
しくは二つの潜熱蓄熱装置を協働させるのであ
る。以下に本発明を添付の図面によつて詳細に説
明する。

［実施例］ 第１ａ図には本発明に従う熱伝送ヒートポンプ
の構造が断面図で図形的に示されている。流体力
学的に水によつて潤滑され、同時に密封部材の役
目をも兼ねている軸受座２と回転しないモーター
ステータ１との間にはヒートポンプハウジング３
が配置されている。

このハウジングは回転熱交換器４と共に一つの
回転ユニツトを形成している。モーターの回転子
６はコンプレツサ７のロータを、空間的に固定さ
れた座標系に対して例えば3000rpmの回転数で駆
動する。コンプレツサ７のハウジングを介してそ
の回転モーメントが上記回転ユニツト３，４に伝
達される。この場合に熱交換器４は接線ブロワ
（回転の接線方向に送風するブロワ）として働
き、その回転モーメントは回転数の２乗に比例し
て増大するので空間的に固定された座標系に対し
て熱交換器４は例えば300rpmの回転数に調節さ
れる。それによりコンプレツサハウジングとコン
プレツサロータ７との間に2700rpmの相対回転数
が形成される。回転ユニツト３，４の重量がかか
りまた同時にシールされた軸をも構成する軸受座
２は、水によつて潤滑されるために保守不要であ
る。磁気的に透過性の隔壁８の球形頂部に軸９が
固定されており、この軸の上に軸受１０及び１１
を介してモータステータ１が支承されており、従
つてモータの電機子鋼板の歯１２と上記磁気的に
透過性の隔壁８との間の空気間隙は回転軸１３の
位置に無関係に定まる。コンプレツサモータ（圧
縮機関）の軸上にはまた膨張モータ（膨張機関）
１４のロータも固定されている。この膨張機関１
４の中でその液化された作業媒体の膨張仕事が回
収される。軸受座２の天底内でこの液体の熱媒体
が管１５および１６を通して流入し排出される。
水と作業媒体との間の熱交換は熱交換器１７の中
で行われ、この熱交換器１７は管１８を介してハ
ウジング３と結合されている。これらの管１８は
同時に上記ハウジング３と回転熱交換器４との間
のスポークの役目をしている。回転熱交換器４の
内側の部分２０には液体熱媒体が流れ、外側の部
分１９には作業媒体が流れている。回転ユニツト
３，４の旋回中心２１は重心の上方にあり、（第
１ａ図中、Ｇは重心の高さを示す）従つてこの回
転ユニツトは唯１個の球状軸受を要するだけであ
る。軸受座２は支柱２２によつて支持されてい
る。モータステータ１はレバーアーム２３によつ
てその反動モーメントによる捩れを阻止してい
る。電磁的に振動体２４がモータの起動時におけ
る軸受座２中における静止摩擦を克服してモータ
を起動し易くする役目をする。このモータは２極
型としてのみならずコイルの切換えによつて例え
ば16極型としても駆動することができるというこ
とを特に記しておく。もし供給される全熱量がこ
のヒートポンプにより要求される熱の温度以上の
ある温度でもたらされる場合には回転ユニツト
３，４は16極型の巻き線によつて駆動される。こ
の場合にはコンプレツサのロータは非常に小さな
回転数でのみ回転するかまたは静止しており、そ
のユニツト３，４の回転数はそれにより約
300rpmのところに留まつている。この場合には
装置は熱交換器としてのみ作動する。なお、各部
の回転速度を要約すると、モータ回転子６、コン
プレツサ回転子７が約3000rpm、ヒートポンプハ
ウジング３、熱交換器４，１７，１９，２０、膨
張モータ１４、スポーク１８が約300rpmで回転
し、モータステータ１と軸受座２、管１６は静止
している。

第１ｂ図は上記第１ａ図に従うヒートポンプの
平面図を示すものであり、その際各部分は、第１
ａ図と同一の参照番号が付されている。

第２図は停止状態の軸受座２を示すものであ
り、その際回転ユニツト３，１８，４は取り除い
てある。その中心に管１６をみることができる。
その環状間隙には管１５が接続している。これに
密封用の環状部分２８が続いている。次に渦巻状
の溝２７が続いており、これらは回転方向を向い
ていて、中間部直径２６のところで終端してお
り、ここにはまた外側からやつてくる渦巻状溝２
５も終端している。これによつてこの直径２６の
部分において流体動力学的な圧力が形成され、こ
れが接触のない支承をもたらす。

第３図は本発明に従うヒートポンプの室内空気
加温のための接続図を示している（ルームヒー
タ）。図中、カツコを付した番号は、同じ部分の
第１ａ図の同じ部分の参照番号である。例えば集
中暖房循環水の熱の第１の部分が回転熱交換器の
環状フイン集合体３４および３４ａを貫通してい
る管列３２および３３を通して水流３１から室内
空気４０に伝達される。この水は40℃に冷却され
た後に熱交換器４２に流れ込み、この熱交換器は
その際循環作業媒体３５に対する蒸発器として役
目をし、水はここで17℃まで更に冷却される。コ
ンプレツサ３６がその気化した作業媒体を圧縮す
る。この作業媒体の液化は回転熱交換器４の管列
３７と３８との中で行われる。熱媒体水は最後に
矢印４１に従つてこの回転ヒートポンプを20℃の
温度で排出する。

第４図は同じ回転ヒートポンプを示すものであ
るが、このヒートポンプは４方弁３９を切り換え
ることによつて作業媒体を逆方向に流して水を加
熱する循環系を用いて運転されている。このヒー
トポンプ循環系中の流れの方向は、例えば室内空
気４０を冷却しなければならない場合（ルームク
ーラ）には次のように選ばれる。すなわち、矢印
３１に従い流入する水の温度が矢印４０で示され
る室内空気の温度よりも高い場合にはバルブ４３
が開放されるのである。しかしながらこの連結方
式はまたもし例えば太陽熱吸収装置によつて加温
された空気４０が吸込まれる場合には熱を得るた
めにも用いることができる。この空気は次に例え
ば35℃の温度で流入した循環水３１を管列３２お
よび３４内で例えば４０℃まで加熱する。次いで
この加温された水は熱交換器４２に流れ込み、こ
の熱交換器はこの場合に液化装置として作動し、
ここで45℃まで加熱されて、矢印４１の方向に加
熱さるべき系系例えば潜熱蓄熱装置等に導かれ
る。矢印４０で示す空気の温度が矢印３１で示さ
れる循環水の温度よりも低い場合にはバルブ４３
は開放される。

第５ａ図は本発明のコンプレツサを平面図で示
している。

第５ｂ図は軸を通る断面図を示すものである。
ピストン５０および５０ａがクロスヘツド５１と
共に硬質材料から成る振動ユニツトを構成してい
る。シリンダ５２および５２ａも同様に硬質材料
から成つている。流入弁５３は第５ｃ図に断面図
で示されている。流出弁５４は集液管５５と連通
している。第３のシリンダのピストン５６は、膨
張機関のピストン５７と共に第２の振動ユニツト
を構成しており、その膨張機関のシリンダ５８は
シリンダ５２よりも小さい直径を有している。こ
の往復運動は、軸受けボツクス６０を介してクラ
ンクピン６１によつて左右に動かされる互いに直
角に延びる滑りロツド５９によつてもたらされ
る。滑りロツド５９は孔６２の中を活動しそして
同様に硬質材料から成つており、また同様に軸受
６３および６４、ならびにクランク軸６５も同様
に硬質材料から成つている。膨張シリンダ５８の
内部に強制制御される弁が配置されており、この
弁は凝縮液をシリンダの内部の約20％まで満すま
でシリンダの中に流入させる。このシリンダの中
で部分的な蒸発によつて仕事が得られる。次いで
凝縮液と蒸気とからなる混合物はこのシリンダの
開口６６から流出し、そして蒸発器中に流入す
る。

本発明の更に進んだ段階では、第４図において
矢印４１に従い流出する水が、矢印４１で示され
る水の流出温度よりもほんの僅か低くかつ熱を放
出する循環系の循環温度よりもほんの僅か高い融
解温度を有する溶融可能な物質から成る蓄熱材料
が満たされている蓄熱装置を通して導かれてい
る。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は本発明に従うヒートポンプの具体例
の断面を示し、第１ｂ図はその平面図を示す。第
２図は軸受座の構成例を示す。第３図は室内暖房
に用いるための本発明に従うヒートポンプの作動
態様を図式的に示し、第４図は同じく冷房用のそ
れを図式的に示す。第５ａ図は本発明に従うコン
プレツサの１例を断面図で示し、第５ｂ図はこの
コンプレツサの軸を通る断面図を示す。第５ｃ図
はこのコンプレツサに用いる弁の構成例を示す。 １…モータステータ、２…軸受座、３…ヒート
ポンプハウジング、４…空気熱交換器、６…モー
タ回転子、７…コンプレツサ、８…隔壁、９…
軸、１４…膨張機関、１５，１６，１８，１９，
２０，３２，３３，３７，３８…管、１７，４２
…液体熱交換器、２５，２７…溝、５０，５０
ａ，５６，５７…ピストン、５２，５２ａ，５８
…シリンダ、５９…滑りロツド、６０…軸受ボツ
クス、６１…クランクピン、６５…クランク軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転空気熱交換器４と、液体熱交換器１７，
   ４２と、前記熱交換器４，１７，４２と共に回転
   するコンプレツサハウジング３，５２，５５，６
   ３と、前記熱交換器４，１７，４２および前記コ
   ンプレツサハウジング３，５２，５５，６３を駆
   動する駆動装置を有し、 前記駆動装置が駆動力モーメントを、磁界を透
   過する隔壁８を通して、磁気的に駆動される回転
   子６に磁気的に伝達し、さらにこの回転子６から
   これに連結されているコンプレツサ回転子７，６
   ０，６１，６５に伝達し、 前記コンプレツサハウジング３，５２，５５，
   ６３がコンプレツサ回転子７，６０，６１，６５
   の反動モーメントによつて回転するヒートポンプ
   において、 前記熱交換器４，１７，４２およびコンプレツ
   サハウジング３，５２，５５，６３によつて構成
   されている回転ユニツトがこのヒートポンプの重
   心の上方で支承されていることを特徴とするエネ
   ルギ節約型のヒートポンプ。 ２ 上記回転ユニツト３，１８，４の軸受が突状
   の球面及び凹状の球面から構成されている球状軸
   受である特許請求の範囲第１項に記載のエネルギ
   節約型のヒートポンプ。 ３ 前記球状軸受が軸受間隙は同時に液体漏れの
   ない貫通軸の密封間隙を構成している、特許請求
   の範囲第２項に記載のエネルギ節約型のヒートポ
   ンプ。 ４ 前記球状軸受の相互滑動部材の一つが溝２
   ５，２７を有し、これらが内側の切れ目と外周と
   の間にある環状部２６の近傍において終端してい
   る、特許請求の範囲第２項に記載のエネルギ節約
   型のヒートポンプ。 ５ 前記球状軸受の相互滑動部材が硬質材料から
   なつている、特許請求の範囲第２項に記載のエネ
   ルギ節約型のヒートポンプ。 ６ 液体熱交換器１７，４２が空気熱交換器４の
   下方に配置されており、そしてこれと共に一つの
   ユニツトを構成している、特許請求の範囲第１項
   に記載のエネルギ節約型のヒートポンプ。 ７ 磁界を透過する隔壁８が軸９と連結されてお
   り、この軸が駆動モータのステータ１と共軸にな
   つている、特許請求の範囲第１項に記載のエネル
   ギ節約型のヒートポンプ。 ８ 回転熱交換器４がコンプレツサハウジング３
   と管１８によつて結合されており、これらの管が
   同時にスポークを構成している、特許請求の範囲
   第１項に記載のエネルギ節約型のヒートポンプ。 ９ 環状のフイン集合体が、互いに半径方向に続
   いている多数の管２０，１９，３３，３２，３
   ８，３７によつて貫通されており、そして内側に
   配置された管２０，３３，３２の中に水が流され
   る特許請求の範囲第１項に記載のエネルギ節約型
   のヒートポンプ用の回転熱交換器。 １０ ステータ１が２個のコイルを有し、それに
   よつて回転子６の回転数を約10分の１に低下させ
   ることができる、特許請求の範囲第９項に記載の
   回転熱交換器。 １１ 容積型機関１４として構成され、その相互
   滑動部材５７，５８が硬質材料からなつている特
   許請求の範囲第１項に記載のエネルギ節約型のヒ
   ートポンプ用の作業媒体用の膨張装置。 １２ 上記膨張機関と同期して回転される流入弁
   が設けられており、これが凝縮液の所定量だけ、
   例えば行程容量の20％を膨張空間５８中に流入さ
   せる特許請求の範囲第１１項に記載の膨張装置。 １３ 容積型機関５０と相互滑動部材５２とが硬
   質材料からなつている特許請求の範囲第１項に記
   載のエネルギ節約型のヒートポンプ用のコンプレ
   ツサ。 １４ 油の代りに作業媒体中に可溶性の液体が加
   えられ、このものの沸点が作業媒体中の沸点より
   も高い特許請求の範囲第１３項に記載のコンプレ
   ツサ。 １５ 循環水が最初回転熱交換器の内側管列２
   ０，３２，３３を通して導かれ、次いで作業流体
   と熱の交換がある熱交換器１７，４２を通して流
   れる、特許請求の範囲第９項に記載の回転熱交換
   器。 １６ 少なくとも２個のシリンダ５２，５２ａが
   向い合つて配置されており、それぞれに附属する
   ピストン５０，５０ａがクロスヘツド５１を介し
   て互いに連結されており、そして穿孔６２を有し
   て滑りロツド５９がこれを通して導かれている特
   許請求の範囲第１３項に記載のコンプレツサ。 １７ ２個の滑りロツド５９が互いに直角に配置
   されており、そして軸受けボツクス６０と共に一
   つのユニツトを構成しており、このユニツトがク
   ランク軸６５のクランクピン６１の上に支承され
   ている、特許請求の範囲第１３項に記載のコンプ
   レツサ。 １８ ピストン５７がシリンダ５８と共に膨張機
   関を構成している、特許請求の範囲第１３項に記
   載のコンプレツサ。 １９ 溶融可能な蓄熱材料を収容したヒートポン
   プ用蓄熱装置において、この蓄熱材料の融点が、
   液化装置４２から排出される水の温度よりも僅か
   に低く且つその加熱さるべき集中暖房等の系の温
   度よりも僅かに高い温度である特許請求の範囲第
   １項に記載のエネルギ節約型のヒートポンプ用蓄
   熱装置。