特表 2020-510185 ヒートポンプ及びヒートポンプの運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2020-510185(P2020-510185A)

(43)【公表日】2020年4月2日

(54)【発明の名称】ヒートポンプ及びヒートポンプの運転方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20200306BHJP

   F25B 1/10 20060101ALI20200306BHJP

   F25B 43/00 20060101ALI20200306BHJP

   F25B 1/053 20060101ALI20200306BHJP

【ＦＩ】

   F25B1/00 331Z

   F25B1/00 331B

   F25B1/10 E

   F25B43/00 R

   F25B1/00 396Z

   F25B1/00 321B

   F25B1/053 Z

   F25B1/00 351U

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2019-550719(P2019-550719)

(86)(22)【出願日】2018年2月15日

(85)【翻訳文提出日】2019年11月12日

(86)【国際出願番号】EP2018053770

(87)【国際公開番号】WO2018166740

(87)【国際公開日】20180920

(31)【優先権主張番号】102017204222.2

(32)【優先日】2017年3月14日

(33)【優先権主張国】DE

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT

(71)【出願人】

【識別番号】517298149

【氏名又は名称】シーメンス アクティエンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】マルク・ライシヒ

(72)【発明者】

【氏名】フローリアン・ライスナー

(57)【要約】

本発明は、少なくとも１つの蒸発器（１０）と、下流に続く圧縮機（７ａ、７ｂ、７）と、下流に続く凝縮器（８）と、流体の膨張のための下流に続く少なくとも１つの膨張装置（９ａ、９ｂ、９）と、有するヒートポンプ（１２、２６）に関するものであり、前記流体回路に沿って、前記凝縮器（８）と前記蒸発器（１０）との間には少なくとも２つの膨張装置（９ａ、９ｂ）が一列に配置されており、かつ前記蒸発器と前記凝縮器との間には、少なくとも２つの圧縮機（７ａ、７ｂ）が一列に配置されており、前記圧縮機の間に蒸気を導入するために、気相及び液相を分離するための分離器（３０）が、両方の前記膨張装置の間に接続され、前記蒸発器から流れる流体（２）を過熱するための手段（３４）が配置されていることを特徴としている。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体回路（２１、２８）を有するヒートポンプ（１２、２６）であって、前記流体回路が、熱源（４）の熱エネルギーを流体（２）に伝達するための少なくとも１つの蒸発器（１０）と、下流に続く前記流体を圧縮するための少なくとも１つの圧縮機（７ａ、７ｂ、７）と、前記熱源（４）よりも高い温度レベルにおいて前記流体の熱エネルギーをヒートシンク（２０）に放出するための、下流に続く少なくとも１つの凝縮器（８）と、前記流体を膨張させるための、下流に続く少なくとも１つの膨張装置（９ａ、９ｂ、９）と、を含んでいるヒートポンプにおいて、
前記流体回路に沿って、前記凝縮器（８）と前記蒸発器（１０）との間には少なくとも２つの膨張装置（９ａ、９ｂ）が一列に配置されており、かつ前記蒸発器と前記凝縮器との間には、少なくとも２つの圧縮機（７ａ、７ｂ）及び／又は少なくとも２つの圧縮機段が一列に配置されており、気相及び液相を分離するための分離器（３０）が、両方の前記膨張装置（９ａ、９ｂ）の間に接続され、両方の前記圧縮機の間、又は両方の前記圧縮機段の間において前記流体回路に合流する気相導入管（３６）を有しており、前記蒸発器から流れる流体（２）を、少なくとも１つの前記圧縮機に流入する前に過熱するための手段（３４）が配置されていることを特徴とするヒートポンプ（１２、２６）。

【請求項2】

前記ヒートポンプ（１２、２６）が、少なくとも７０℃、特に少なくとも９０℃の前記ヒートシンク（２０）の温度レベルに合わせて設計されていることを特徴とする、請求項１に記載のヒートポンプ。

【請求項3】

前記流体（２）が、温度エントロピー線図（４２）において概ねプラスの傾きを有する凝縮曲線（１８）を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のヒートポンプ。

【請求項4】

前記ヒートポンプ（１２、２６）が、概ね等温の熱源（４）に合わせて設計されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートポンプ。

【請求項5】

少なくとも１つの膨張装置（９ａ、９ｂ、９）が絞り弁（３５ａ、３５ｂ）であること、及び／又は、少なくとも１つの圧縮機（７ａ、７ｂ、７）がターボ圧縮機であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のヒートポンプ。

【請求項6】

前記手段（３４）が、前記蒸発器から流れる流体（２）を過熱するために、熱交換器（３２）を含んでおり、前記熱交換器は、前記膨張装置（９）に流入する前の、前記凝縮器（８）から流れる流体を、前記圧縮機（７）に流入する前の、前記蒸発器（１０）から流れる流体と、熱的に接続するように構成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のヒートポンプ。

【請求項7】

前記蒸発器から流れる流体を過熱するための前記手段が、外部のエネルギー源（４０）で加熱可能である、接続可能な加熱装置（３８）を含んでいることを特徴とする、請求項６に記載のヒートポンプ。

【請求項8】

前記分離器（３０）が、気相及び液相を分離するための圧力タンクを含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のヒートポンプ。

【請求項9】

ヒートポンプを運転するための方法であって、流体が連続的に流体回路内で誘導され、その際に、熱エネルギーが、熱源から蒸発器内の前記流体に伝達され、前記流体は、少なくとも部分的に蒸発し（ＶＳ５）、次に、前記流体は圧縮され（ＶＳ７、ＶＳ８）、次に、前記熱源よりも高い温度レベルで熱エネルギーをヒートシンクに放出するために、少なくとも部分的に液化され（ＶＳ９）、次に、冷却のために膨張させられる（ＶＳ１０、ＶＳ１２）方法において、
前記流体は、熱エネルギーの伝達後、かつ圧縮の前に過熱され（ＶＳ６）、圧縮は、少なくとも２つの圧縮ステップにおいて行われ、膨張は、少なくとも２つの膨張ステップにおいて行われ、少なくとも２つの膨張ステップの間で、前記流体の気相が、前記流体の液相から分離され、気体状の流体が、少なくとも部分的に、少なくとも２つの圧縮ステップの間の前記流体に供給される（ＶＳ１１）ことを特徴とする方法。

【請求項10】

前記ヒートポンプが、前記ヒートシンクの少なくとも７０℃の高温領域、特に前記ヒートシンクの少なくとも９０℃の高温領域において運転されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

温度エントロピー線図において概ねプラスの傾きを示す凝縮曲線を有する流体が使用される（ＶＳ１）ことを特徴とする、請求項９又は１０に記載の方法。

【請求項12】

動作状態における、前記蒸発器を離れる流体の過熱のために、前記凝縮器を離れる流体の熱エネルギーが、膨張の前に取り出され、前記蒸発器を離れた流体に、圧縮の前に伝達される（ＶＳ６）ことを特徴とする、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

過熱が、圧縮機の終点における凝縮曲線に対する距離が、少なくとも１０Ｋ、特に１０Ｋから２０Ｋになるように選択される（ＶＳ２）ことを特徴とする、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

運転の始動段階において、前記流体の過熱のために、加熱装置が接続される（ＶＳ４）ことを特徴とする、請求項９から１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

熱源として、略等温の熱源が用いられる（ＶＳ３）ことを特徴とする、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体回路を有するヒートポンプと、ヒートポンプの運転方法と、に関する。

【背景技術】

【0002】

ヒートポンプ内では、ヒートポンプの流体回路内で動作方向において循環する流体の蒸発によって、熱的エネルギー、すなわち熱が、熱源によって吸収され、ヒートシンクに放出される。その際、吸収された熱的エネルギーを有する流体は、圧縮機を用いて、その圧力レベルが上昇させられた後、蒸発温度よりも高い液化温度で液化される。流体を、回路の終端において、初期状態に戻すために、当該流体は膨張し、それによって、その温度は再び低下する。

【0003】

ヒートポンプの効率は、成績係数（英語ではＣＯＰ）を用いて測定され、当該成績係数は、最良の場合でも、カルノーサイクルの相関的な効率によって与えられている。成績係数は、便益の費用に対する比率に対応する。ヒートポンプがヒートシンクを温めるために用いられる場合、これは、圧縮機の仕事量Ｗ_ｍｅｃｈで割った、ヒートシンクに放出された熱量Ｑ_ｗａｒｍに対応する。流体の蒸発温度と液化温度との間における値の差（温度変化）が大きければ大きいほど、ヒートポンプの効率は低くなる。

【0004】

従って、ヒートポンプの流体回路は、熱源の熱エネルギーを流体に伝達するための少なくとも１つの蒸発器と、下流に続く、流体を圧縮するための少なくとも１つの圧縮機と、流体の熱エネルギーをヒートシンクに放出するための、下流に続く少なくとも１つの凝縮器と（当該ヒートシンクは、熱源よりも高い温度レベルにある）、流体を膨張させるための、下流に続く少なくとも１つの膨張装置と、を含んでいる。

【0005】

本発明は、ヒートポンプの運転方法にも関するものである。当該方法においては、熱エネルギーが、熱源から蒸発器内の流体に伝達され、当該流体は、少なくとも部分的に蒸発する。その後で、流体は圧縮され、次に、（熱源よりも高い温度レベルで）熱エネルギーをヒートシンクに放出するために、少なくとも部分的に液化される。その後で、流体は、冷却のために膨張させられる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の課題は、冒頭に挙げた種類のヒートポンプ、及び、当該ヒートポンプの運転方法について記載することにあり、当該ヒートポンプ／方法は、少なくとも７０℃のヒートシンクの温度レベルに適しており、付加的に、ヒートポンプの特に高い成績係数を可能にする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明によると、冒頭に挙げた種類のヒートポンプにおいて、本課題は、流体回路に沿って、凝縮器と蒸発器との間に少なくとも２つの膨張装置が一列に配置されており、かつ蒸発器と凝縮器との間に、少なくとも２つの圧縮機及び／又は少なくとも２つの圧縮機段が一列に配置されていることによって解決され、気相及び液相を分離するための分離器が、両方の膨張装置の間に接続され、両方の圧縮機の間、又は両方の圧縮機段の間において回路に合流する気相導入管を有しており、蒸発器から流れる流体を、第１の圧縮機に流入する前に過熱するための手段が配置されている。

【0008】

従って、本発明では、特徴を組み合わせることが提案されており、これらの組み合わせは、ヒートポンプの成績係数を改善し、同時に、温度エントロピー線図において凝縮曲線の概ねプラスの傾きを有する流体を流体回路で使用することを可能にする。

【0009】

例えばＲ２２、Ｒ１３４ａ及びアンモニア等の、既存の流体は、水のように、温度エントロピー線図において、鐘の形状を有している。ここでは、湿り蒸気相への移行による圧縮機の損傷というリスクを冒さずに、飽和蒸気を基に、任意で圧縮を行うことが可能である。

【0010】

ヒートポンプの高温領域（使用温度に関して、少なくとも７０℃、特に９０℃以上）に関しては、臨界温度ゆえに、別の流体を用いなければならない。十分に高い臨界温度を有する流体は、例えばＲ１２３３ｚｄ及びＲ１３３６ｍｚｚである。しかしながら、当該流体は、温度エントロピー線図において凝縮曲線の概ねプラスの傾きを有している。これは、温度エントロピー線図において、液相／気相の二相領域を、気体状態領域から区切る線を意味している。従って、二相領域への移行を回避すべき場合、当該流体は、飽和蒸気を基に任意には圧縮され得ない。

【0011】

圧縮機に流入する前に流体を過熱することによって、このような凝縮曲線の概ねプラスの傾きを有する、高温に適した流体を使用することが可能になる。なぜなら、圧縮機、特にターボ圧縮機内の液滴を通じた液体の打撃による損傷が回避されるからである。高い成績係数を得るために、過熱は、熱源の温度と比較して十分に低い流体の温度レベルを通じてではなく、蒸発器から流出した後の流体を過熱するための手段を通じて行われる。

【0012】

本発明に基づいて配置された分離器は、エコノマイザーとも称され得る。第１の膨張装置下流で膨張した流体は、膨張ゆえに、より低い温度を有しており、一部は気相に、一部は液相に存在している。分離器における気相の分離によって、並びに冷却されたガスの、上側圧縮機段への、及び／又は、２つの圧縮機の間への少なくとも部分的な導入によって、ヒートポンプの成績係数が改善され、圧縮機に流入する前に、始めにガスを過熱することによって、凝縮曲線のプラスの傾きを有する流体の場合も、圧縮の間に冷却されたガスを導入することが可能になる。圧縮機に流入する前の過熱の程度は、適切に選択され得る。

【0013】

本発明の有利な態様は、後続の説明及び従属請求項に記載されており、その特徴は、個別に、及び、任意の組み合わせにおいて適用され得る。

【0014】

有利には、ヒートポンプが、少なくとも７０℃、特に少なくとも９０℃のヒートシンクの温度レベルに合わせて設計されていると規定することが可能である。

【0015】

このために、本発明に基づいて構成されたヒートポンプは、例えばＲ１２３３ｚｄ及びＲ１３３６ｍｚｚ等の流体を用いて運転され得る。

【0016】

ヒートポンプが、概ね等温である熱源に合わせて設計されていることもまた、有利であると見なされ得る。

【0017】

概ね等温の熱源は、小さい温度差を有している。これによって、流体の高い蒸発温度と、従ってより大きい成績係数と、が可能になる。蒸発圧力が可能な限り高く維持され得るように、温度差は、可能な限り小さく維持される必要がある。例えば、５ケルビンの温度差で、５０℃の熱源の場合、蒸発は、４５℃で行われるであろう。熱源を用いた流体の過熱を考慮に入れるのであれば（本発明では提案されていないが）、蒸発温度を、例えば４０℃まで低下させる必要がある。その場合、流体は、４５℃まで過熱され得るであろう。もっとも、これは、ＣＯＰの低下につながるであろう。

【0018】

少なくとも１つの膨張装置が絞り弁であり、及び／又は少なくとも１つの圧縮機がターボ圧縮機であることもまた、有利であると見なされ得る。

【0019】

絞り弁は、流路の狭窄部を有しており、これによって、流体は、狭窄した部分を貫流する間に、圧力の減少によって膨張する。絞り弁の横断面は、調整可能であってよい。ターボ圧縮機は、高い圧力レベルを形成するのに適している。

【0020】

本発明の有利な態様は、蒸発器から流れる流体を過熱するための手段が、熱交換器を含んでおり、当該熱交換器は、膨張装置に流入する前の、凝縮器から流れる流体を、圧縮機に流入する前の、蒸発器から流れる流体と、熱的に接続するように構成されていることを規定し得る。

【0021】

本発明に係る当該態様は、蒸発器下流の流体の過熱を可能にするだけではなく、同時に膨張装置上流の流体の過冷却にもつながり、これによって、成績係数が、特に分離器が液化と蒸発との間において流体の状態変化に与える作用との相互作用によって上昇する。

【0022】

圧縮の終点における流体状態の、凝縮曲線に対する距離は、熱交換器の選択された面積次第で、自由に調整可能である。これによって、熱交換器の面積を、あらゆる種類の圧縮機、及び、対応して要求される間隔に適合させることが可能になる。

【0023】

蒸発器から流れる流体を過熱するための手段が、外部のエネルギー源で加熱可能である、接続可能な加熱装置を含んでいることもまた、有利であると見なされ得る。

【0024】

本発明の当該態様は、特にヒートポンプ運転の初期段階において、流体の十分な過熱を可能にする。

【0025】

本発明のさらなる有利な態様は、分離器が、気相及び液相を分離するための圧力タンクを含むことを規定し得る。

【0026】

圧力タンク内では、上側領域に、流体の気相が集中し、当該領域では、気体状の流体が、供給管を通じて、少なくとも１つの圧縮機によって吸引され得る。

【0027】

本発明のさらなる課題は、冒頭に挙げた種類の、ヒートポンプを運転するための方法について記載することにあり、当該方法は、少なくとも７０℃のヒートシンクの温度レベルに適しており、付加的にヒートポンプの特に高い成績係数を可能にする。

【0028】

このために、流体は、熱エネルギーの伝達後かつ圧縮の前に過熱され、少なくとも２つの圧縮ステップにおける圧縮と、少なくとも２つの膨張ステップにおける膨張と、が行われ、少なくとも２つの膨張ステップの間では、流体の気相は、流体の液相から分離され、気体状の流体は、少なくとも部分的に、少なくとも２つの圧縮ステップの間に、流体に供給される。

【0029】

従って、本発明では、特徴を組み合わせることが提案されており、これらの組み合わせは、ヒートポンプの成績係数を改善し、同時に温度エントロピー線図において凝縮曲線の概ねプラスの傾きを有する流体を流体回路で使用することを可能にする。

【0030】

本発明に係る方法に関しては、請求項１に関する説明における記載が、同様に参照される。

【0031】

ヒートポンプが、ヒートシンクの少なくとも７０℃の高温領域、特にヒートシンクの少なくとも９０℃の高温領域において運転されるということもまた、有利であると見なされ得る。

【0032】

本発明に係る方法の態様に関して、ヒートポンプの運転が、例えばＲ１２３３ｚｄ及びＲ１３３６ｍｚｚ等の流体を用いて行われ得る。

【0033】

さらに、温度エントロピー線図において凝縮曲線の概ねプラスの傾きを有する流体が用いられることもまた、有利であると見なされ得る。

【0034】

動作状態において、蒸発器を離れる流体の過熱のために、凝縮器を離れる流体の熱エネルギーが、膨張の前に取り出され、蒸発器を離れる流体に、圧縮の前に伝達されることもまた、有利であると見なされ得る。

【0035】

本発明に係る当該態様は、蒸発後の流体の過熱を可能にするだけではなく、同時に、膨張前の流体の過冷却にもつながり、これによって、成績係数が特に、少なくとも２つの膨張ステップの間で流体の気相を流体の液相から分離し、気体状の流体を少なくとも部分的に少なくとも２つの圧縮ステップの間の流体に供給するという方法ステップとの相互作用において、液化と蒸発との間における流体の状態変化によって上昇する。

【0036】

過熱は、圧縮の終点における凝縮曲線に対する距離が、少なくとも１０ケルビン、特に１０ケルビンから２０ケルビンになるように選択されることもまた、有利であると見なされ得る。

【0037】

これらの条件に関して、圧縮の終点における凝縮曲線に対する要求される距離を守るためには、圧縮の前にどの程度の過熱が必要であるかが算定され得る。

【0038】

ヒートポンプの運転の初期段階において、流体を過熱するために、加熱装置が接続されることもまた、有利であると見なされ得る。

【0039】

当該方法の有利な態様は、熱源として、概ね等温の熱源が用いられることを規定し得る。

【0040】

概ね等温の熱源は、わずかな温度差を有している。これによって、流体の高い蒸発温度と、従ってより高い成績係数と、が可能になる。

【0041】

本発明のさらなる合理的な態様及び利点は、図面を用いた、本発明の実施例の説明の対象であり、機能が同じ部材には、同じ参照符号が用いられる。その際、示されているのは以下の図である。

【図面の簡単な説明】

【0042】

【図1】先行技術に係るヒートポンプの流体回路を概略的に示した図である。

【図2】先行技術に係るヒートポンプの、図１に示した流体循環の間における状態の推移を記した、流体Ｒ１３４ａの温度エントロピー線図を概略的に示した図である。

【図3】概ねプラスの傾きを有する凝縮曲線、及び記入された、先行技術に係るヒートポンプの図１に示された流体回路を通る際の流体の状態推移と共に、流体の温度エントロピー線図を概略的に示した図である。

【図4】本発明の第１の実施例に係るヒートポンプの流体回路を概略的に示した図である。

【図5】概ねプラスの傾きを有する凝縮曲線、及び記入された、図４に示されたヒートポンプの流体回路を通る際の流体の状態推移と共に、流体の圧力エンタルピー線図を概略的に示した図である。

【図6】本発明の第２の実施例に係る方法のフローチャートを概略的に示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0043】

図１は、先行技術に係るヒートポンプ１２の流体回路２１を概略的に示している。流体２は、流れ方向１１において、ヒートポンプ１２を通るように搬送される。蒸発器１０は、熱源４の熱エネルギーを吸収して流体を蒸発させるので、当該流体は蒸気状態１をとる。この蒸気状態１において、流体２は、圧縮機７に流入し、圧縮状態３に圧縮される。圧縮状態３において、当該流体は、凝縮器８に流入し、ヒートシンク２０に熱エネルギーを放出し、凝縮状態５に移行し、最終的に、膨張装置９において膨張する。その結果、流体２は、膨張状態６をとり、当該状態において再び、蒸発器１０に供給される。すなわち、当該流体は、ヒートポンプ１２の運転中、継続して、流れ方向１１に沿って、ヒートポンプ１２を通るように搬送され、蒸発器１０内で蒸発する際に、熱源４の熱を吸収し、凝縮器８内での液化の間に、熱源４の温度レベルよりも高い温度レベルで、熱エネルギーをヒートシンク２０に放出する。

【0044】

図２は、温度エントロピー線図２３を示しており、当該図面は、図の平面において右に向かって、すなわちｘ座標上にエントロピー１４を示し、図の平面において上に向かって、すなわちｙ座標上に温度１３を示している。温度エントロピー線図２３は、凝縮曲線１８、沸騰曲線１９と、流体の様々な凝集状態と、を示している。凝縮曲線１８は、気相１５と二相領域１６との境界を形成しており、二相領域１６では、流体は、液体の状態でも気体の状態でも存在している。沸騰曲線１９は、二相領域１６と液相１７との境界を形成している。図示された温度エントロピー線図２３は、概ねマイナスの傾きを有する、流体の凝縮曲線１８を示している。

【0045】

同じく図２には、流体が、図１に示された先行技術に係るヒートポンプの流体回路を通過する際の、流体の様々な熱力学的状態が概略的に示されている。蒸気状態１から出発して、流れの方向１１に沿って、圧縮によって、圧縮状態３が得られる。圧縮状態３は、気相１５内にあり、それゆえ、圧縮機７は、流体内の液滴形成に続く液体の打撃による損傷を受けることはない。各状態の間の図示された接続線は、図２、図３及び図５において、直線状の接続線として示されているが、この理想的な推移から逸脱することも可能である。圧縮状態３から出発して、凝縮器８によって、沸騰曲線上にある凝縮状態５が生じる。凝縮状態５から出発して、流体の膨張装置９の通過によって、膨張状態６が得られ、次に蒸発器１０内のエネルギー供給によって、再び流体の蒸気状態１が得られる。これをもって、ヒートポンプ１２の回路が閉じられている。

【0046】

図３は、図２と同様に、温度エントロピー線図２４を示しているが、別の流体に関するものである。流体の沸騰曲線１９及び凝縮曲線１８の推移は、著しく張り出した二相領域１６を囲んでいるので、凝縮曲線１８は概ねプラスの傾きを有している。このような流体が、図１に示された先行技術に係るヒートポンプの流体回路で循環する場合、圧縮状態３は、二相領域１６内にある。その結果、圧縮機７内で、液体の打撃による損傷が生じ得る。

【0047】

図４は、本発明の第１の実施例に係るヒートポンプ２６の流体回路２８を概略的に示している。流体回路２８内で、流れの方向において、蒸発器１０に続いて、２つの圧縮機７ａ、７ｂが配置されている。圧縮機７ａ及び７ｂは一列に配置されており、それぞれ複数の圧縮機段を含み得る。圧縮機７ａ、７ｂの下流において、流体回路２８は、凝縮器８と、後続の２つの一列に配置された膨張装置９ａ、９ｂと、を含んでいる。膨張装置９ａ及び／又は９ｂは、絞り弁３５ａ、３５ｂとして、又は例えば膨張弁として構成され得る。ヒートポンプ２６の流体回路２８は、さらに、蒸発器１０から流れ出る流体の過熱のために、熱交換器３２を有する手段３４を含んでいる。熱交換器３２は、膨張装置９ａ、９ｂに流入する前の、凝縮器８から流れる流体を、圧縮機７ａ、７ｂに流入する前の、蒸発器１０から流れる流体と熱的に接続するように構成されている。付加的に、気相と液相とを分離するための分離器３０が、両方の膨張装置９ａ及び９ｂの間に接続されており、両方の圧縮機７ａ及び７ｂの間で流体回路２８に合流する気相導入管３６を有している。始動段階の間に、蒸発器１０から流れる流体の十分な過熱を保証するために、手段３４は付加的に、外部のエネルギー源４０で加熱可能である、接続可能な加熱装置３８を含んでいる。熱源４は等温の熱源である。例えば、当該熱源は、５４℃の温度レベルであり得るが、この温度レベルで飽和した蒸気は、熱源側において、蒸発器１０に流入し、同じ温度の飽和液体として、蒸発器１０を離れる。ヒートシンク２０は、例えばヒーター回路であってよく、当該ヒーター回路から、使用側において、熱が取り出され、この熱は、例えば８０℃の過冷却液体として、ヒートシンク側において凝縮器８に流入し、例えば１２５℃の過熱蒸気として凝縮器８を離れる。

【0048】

図１に示された流体回路とは異なり、本発明に係るヒートポンプ２６は、温度エントロピー線図において凝縮曲線のプラスの傾きを有する高温流体を、高い成績係数と結びつけて使用することを可能にする。熱交換器３２の面積を適切に寸法設計することによって、流体の十分な過熱が可能になり、これによって、膨張状態６ａにおける膨張した流体の気相の、両方の圧縮機７ａ、７ｂの間への導入にも関わらず、圧縮の間の湿り蒸気の生成が確実に回避される。

【0049】

図５は、温度エントロピー線図において凝縮曲線１８のプラスの傾きを有する高温流体の、圧力エンタルピー線図４２を示しており、当該高温流体は、図４に示したヒートポンプ２６の高温運転に適しており、図示された例では、圧力エンタルピー線図において凝縮曲線１８のプラスの傾きも有している。当該流体が、図４に示された流体回路２８で循環する場合、本図では、矢印の方向に進行する状態の推移が生じる。蒸発器１０を離れる際、流体は蒸気状態１ａにあり、熱交換器３２を用いて、過熱された蒸気状態１ｂに移行する。第１の圧縮機７ａで圧縮された後、当該流体は圧縮状態３ａにある。分離器３０を始点とする気相の、両方の圧縮機の間における流体回路への導入によって、当該流体は圧縮状態３ｂに移行し、次に圧縮機７ｂによって圧縮された後は、圧縮状態３ｃに移行する。凝縮器８内での液化は、凝縮状態５ａをもたらし、熱交換器３２は、流体を付加的に過冷却し、凝縮状態５ｂに移行させる。絞り弁３５ａは、流体を膨張させ、膨張状態６ａに移行させ、当該流体は、分離器３０内での気相の分離によって、膨張状態６ｂに達する。後続の絞り弁３５ｂ内での流体の膨張は、膨張状態６ｃをもたらし、膨張状態６ｃにおいて、当該流体は、新たに蒸発器１０に到達する。ヒートポンプのＣＯＰは、エンタルピー差の比として、図のｈ軸上から直接読み取ることが可能である。ＣＯＰは、（ｈ３ｃ−ｈ５ａ）／（ｈ３ｃ−ｈ３ｂ＋ｈ３ａ−ｈ１ｂ）に相当する。

【0050】

図６は、フローチャートにおいて、本発明に係る方法の実施例を概略的に示しており、ヒートポンプを運転するための準備段階の方法ステップＶＳ１では、温度エントロピー線図において概ねプラスの傾きを示す凝縮曲線を有する流体が選択され、使用される。
準備段階の方法ステップＶＳ２では、流体回路内の流体の過熱は、例えば熱交換器面積の設計を通じて、圧縮機の終点における凝縮曲線に対する距離が、少なくとも１０Ｋ、特に１０Ｋから２０Ｋになるように選択される。
準備段階の方法ステップＶＳ３では、熱源として、概ね等温の熱源が選択される。
ヒートポンプの運転の始動段階である方法ステップＶＳ４では、流体の過熱のために、加熱装置が接続される。方法ステップＶＳ５では、熱エネルギーが、熱源から蒸発器内の流体に伝達され、当該流体は、少なくとも部分的に蒸発する。方法ステップＶＳ６では、流体は、熱エネルギーの伝達後、かつ圧縮の前に過熱され、その際、凝縮器を離れた流体の熱エネルギーが、膨張の前に取り出され、蒸発器を離れた流体に、圧縮の前に伝達される。
方法ステップＶＳ７では、流体は、後続の第１の圧縮ステップにおいて圧縮される。
方法ステップＶＳ８では、圧縮された流体が、第２の圧縮ステップにおいて圧縮される。
方法ステップＶＳ９では、流体は、熱源よりも高い温度レベルにおいて熱エネルギーをヒートシンクに放出するために、少なくとも部分的に液化される。方法ステップＶＳ１０では、流体は、第１の膨張ステップでの冷却のために膨張する。方法ステップＶＳ１１では、流体の気相が、流体の液相から分離し、気体状の流体が、少なくとも部分的に、少なくとも２つの圧縮ステップの間の流体に供給される。方法ステップＶＳ１２では、流体が、第２の膨張ステップにおいて膨張し、新たに蒸発器に供給されると共に、ヒートポンプの流体回路内を循環する流体は、連続的に、方法ステップＶＳ５からＶＳ１２を通過し、ヒートポンプは、ヒートシンクの少なくとも７０℃の高温領域において、特にヒートシンクの少なくとも９０℃の高温領域において運転される。

【符号の説明】

【0051】

１、１ａ、１ｂ 蒸気状態
２ 流体
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 圧縮状態
４ 熱源
５、５ａ、５ｂ 凝縮状態
６、６ａ、６ｂ、６ｃ 膨張状態
７、７ａ、７ｂ 圧縮機
８ 凝縮器
９、９ａ、９ｂ 膨張装置
１０ 蒸発器
１１ 流れ方向
１２ ヒートポンプ
１３ 温度
１４ エントロピー
１５ 気相
１６ 二相領域
１７ 液相
１８ 凝縮曲線
１９ 沸騰曲線
２０ ヒートシンク
２１ 流体回路
２３、２４ 温度エントロピー線図
２６ ヒートポンプ
２８ 流体回路
３０ 分離器
３２ 熱交換器
３４ 手段
３５ａ、３５ｂ 絞り弁
３６ 気相導入管
３８ 加熱装置
４０ エネルギー源
４２ 温度エントロピー線図、圧力エンタルピー線図
ＶＳ１ 温度エントロピー線図において概ねプラスの傾きを示す凝縮曲線を有する流体が選択され、使用される
ＶＳ２ 流体回路内の流体の過熱が、圧縮機の終点における凝縮曲線に対する距離が、少なくとも１０Ｋ、特に１０Ｋから２０Ｋになるように選択される
ＶＳ３ 熱源として、概ね等温の熱源が選択される
ＶＳ４ 流体の過熱のために、加熱装置が接続される
ＶＳ５ 熱エネルギーが、熱源から、蒸発器内の流体に伝達される
ＶＳ６ 流体が、熱エネルギーの伝達後、かつ、圧縮の前に過熱される
ＶＳ７ 流体が、後続の第１の圧縮ステップにおいて圧縮される
ＶＳ８ 圧縮された流体が、第２の圧縮ステップにおいて圧縮される
ＶＳ９ 流体が、熱源よりも高い温度レベルにおいて熱エネルギーをヒートシンクに放出するために、少なくとも部分的に液化される
ＶＳ１０ 流体が、第１の膨張ステップにおいて冷却するために膨張する
ＶＳ１１ 流体の気相が、流体の液相から分離し、気体状の流体が、少なくとも部分的に、少なくとも２つの圧縮ステップの間の流体に供給される
ＶＳ１２ 流体が、第２の膨張ステップにおいて膨張し、新たに蒸発器に供給されると共に、ヒートポンプの流体回路内を循環する流体は、連続的に、方法ステップＶＳ５からＶＳ１２を通過する

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2019年12月13日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体回路（２１、２８）を有するヒートポンプ（１２、２６）であって、前記流体回路が、熱源（４）の熱エネルギーを流体（２）に伝達するための少なくとも１つの蒸発器（１０）と、下流に続く前記流体を圧縮するための少なくとも１つの圧縮機（７ａ、７ｂ、７）と、前記熱源（４）よりも高い温度レベルにおいて前記流体の熱エネルギーをヒートシンク（２０）に放出するための、下流に続く少なくとも１つの凝縮器（８）と、前記流体を膨張させるための、下流に続く少なくとも１つの膨張装置（９ａ、９ｂ、９）と、を含んでいるヒートポンプにおいて、
前記流体回路に沿って、前記凝縮器（８）と前記蒸発器（１０）との間には少なくとも２つの膨張装置（９ａ、９ｂ）が一列に配置されており、かつ前記蒸発器と前記凝縮器との間には、少なくとも２つの圧縮機（７ａ、７ｂ）及び／又は少なくとも２つの圧縮機段が一列に配置されており、気相及び液相を分離するための分離器（３０）が、両方の前記膨張装置（９ａ、９ｂ）の間に接続され、両方の前記圧縮機の間、又は両方の前記圧縮機段の間において前記流体回路に合流する気相導入管（３６）を有しており、前記蒸発器から流れる流体（２）を、少なくとも１つの前記圧縮機に流入する前に過熱するための手段（３４）が配置されていることを特徴とするヒートポンプ（１２、２６）。

【請求項2】

前記ヒートポンプ（１２、２６）が、少なくとも７０℃の前記ヒートシンク（２０）の温度レベルに合わせて設計されていることを特徴とする、請求項１に記載のヒートポンプ。

【請求項3】

前記流体（２）が、温度エントロピー線図（４２）において概ねプラスの傾きを有する凝縮曲線（１８）を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のヒートポンプ。

【請求項4】

前記ヒートポンプ（１２、２６）が、概ね等温の熱源（４）に合わせて設計されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートポンプ。

【請求項5】

少なくとも１つの膨張装置（９ａ、９ｂ、９）が絞り弁（３５ａ、３５ｂ）であること、及び／又は、少なくとも１つの圧縮機（７ａ、７ｂ、７）がターボ圧縮機であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のヒートポンプ。

【請求項6】

前記手段（３４）が、前記蒸発器から流れる流体（２）を過熱するために、熱交換器（３２）を含んでおり、前記熱交換器は、前記膨張装置（９）に流入する前の、前記凝縮器（８）から流れる流体を、前記圧縮機（７）に流入する前の、前記蒸発器（１０）から流れる流体と、熱的に接続するように構成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のヒートポンプ。

【請求項7】

前記蒸発器から流れる流体を過熱するための前記手段が、外部のエネルギー源（４０）で加熱可能である、接続可能な加熱装置（３８）を含んでいることを特徴とする、請求項６に記載のヒートポンプ。

【請求項8】

前記分離器（３０）が、気相及び液相を分離するための圧力タンクを含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のヒートポンプ。

【請求項9】

ヒートポンプを運転するための方法であって、流体が連続的に流体回路内で誘導され、その際に、熱エネルギーが、熱源から蒸発器内の前記流体に伝達され、前記流体は、少なくとも部分的に蒸発し（ＶＳ５）、次に、前記流体は圧縮され（ＶＳ７、ＶＳ８）、次に、前記熱源よりも高い温度レベルで熱エネルギーをヒートシンクに放出するために、少なくとも部分的に液化され（ＶＳ９）、次に、冷却のために膨張させられる（ＶＳ１０、ＶＳ１２）方法において、
前記流体は、熱エネルギーの伝達後、かつ圧縮の前に過熱され（ＶＳ６）、圧縮は、少なくとも２つの圧縮ステップにおいて行われ、膨張は、少なくとも２つの膨張ステップにおいて行われ、少なくとも２つの膨張ステップの間で、前記流体の気相が、前記流体の液相から分離され、気体状の流体が、少なくとも部分的に、少なくとも２つの圧縮ステップの間の前記流体に供給される（ＶＳ１１）ことを特徴とする方法。

【請求項10】

前記ヒートポンプが、前記ヒートシンクの少なくとも７０℃の高温領域において運転されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

温度エントロピー線図において概ねプラスの傾きを示す凝縮曲線を有する流体が使用される（ＶＳ１）ことを特徴とする、請求項９又は１０に記載の方法。

【請求項12】

動作状態における、前記蒸発器を離れる流体の過熱のために、凝縮器を離れる流体の熱エネルギーが、膨張の前に取り出され、前記蒸発器を離れた流体に、圧縮の前に伝達される（ＶＳ６）ことを特徴とする、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

過熱が、圧縮機の終点における凝縮曲線に対する距離が、少なくとも１０Ｋになるように選択される（ＶＳ２）ことを特徴とする、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

運転の始動段階において、前記流体の過熱のために、加熱装置が接続される（ＶＳ４）ことを特徴とする、請求項９から１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

熱源として、略等温の熱源が用いられる（ＶＳ３）ことを特徴とする、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。

【国際調査報告】