熱泵裝置制造方法
【專利摘要】熱泵裝置(100)具備蒸發器(10)、電化學壓縮機(11)、冷凝器(16)、制冷劑輸送路(18)以及非冷凝性氣體返回路(28)。非冷凝性氣體返回路(28)是相對于制冷劑輸送路(18)另行設置的路徑，構成為將電化學壓縮機(11)的噴出側的高壓空間與電化學壓縮機(11)的吸入側的低壓空間連接，使非冷凝性氣體從高壓空間向低壓空間返回。非冷凝性氣體例如是氫氣。
【專利說明】熱泵裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及熱泵裝置。
【背景技術】
[0002]當對使用于燃料電池的電解質膜施加電壓時，比變成質子(H+)，并從電解質膜的一側的面向另一側的面移動。此時，質子協同水、醇、氨等極性物質而在電解質膜中移動。利用該現象來壓縮極性物質的氣體的技術被稱作“電化學壓縮(ElectrochemicalCompress1n)”。應用了電化學壓縮的壓縮機被稱作“電化學壓縮機(ElectrochemicalCompressor) ”。在專利文獻1、2中記載有使用了電化學壓縮機的熱泵裝置。
[0003]在先技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開2003-262424號公報
[0006]專利文獻2:美國專利申請公開第2010/0132386號說明書
[0007]在將電化學壓縮機使用于熱泵裝置的情況下，除了制冷劑以外，氫這樣的具有電化學活性的氣體也是不可缺的。但是，這樣的氣體可能會阻礙熱泵裝置的效率提高。因此，希望具有電化學活性的氣體的使用量少。
【發明內容】
[0008]發明要解決的課題
[0009]本發明提供一種能夠在使用了電化學壓縮機的熱泵裝置中削減具有電化學活性的氣體的使用量的技術。
[0010]用于解決課題的方案
[0011]即，本發明提供一種熱泵裝置，具備:
[0012]蒸發器，其使制冷劑蒸發；
[0013]電化學壓縮機，其使用具有電化學活性的非冷凝性氣體，對通過所述蒸發器蒸發了的所述制冷劑進行壓縮；
[0014]冷凝器，其使由所述電化學壓縮機壓縮后的所述制冷劑冷凝；
[0015]制冷劑輸送路，其從所述冷凝器向所述蒸發器輸送所述制冷劑；以及
[0016]非冷凝性氣體返回路，其是相對于所述制冷劑輸送路另行設置的路徑，構成為將所述電化學壓縮機的噴出側的高壓空間與所述電化學壓縮機的吸入側的低壓空間連接，使所述非冷凝性氣體從所述高壓空間向所述低壓空間返回。
[0017]發明效果
[0018]根據本發明，能夠在使用了電化學壓縮機的熱泵裝置中削減具有電化學活性的氣體的使用量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的一實施方式的熱泵裝置的制冷運轉時的結構圖。
[0020]圖2是圖1所示的熱泵裝置的供暖運轉時的結構圖。
[0021]圖3是設于非冷凝性氣體返回路的閘門的一例的結構圖。
[0022]圖4是電化學壓縮機的制冷運轉時的動作說明圖。
[0023]圖5是電化學壓縮機的供暖運轉時的動作說明圖。
[0024]圖6是設有起動輔助機構的熱泵裝置的結構圖。
[0025]圖7是內置有非冷凝性氣體返回路的電化學壓縮機的結構圖。
【具體實施方式】
[0026]如之前說明的那樣，使用了電化學壓縮機的熱泵裝置需要具有電化學活性的氣體。具有電化學活性的氣體在熱泵裝置的通常的運轉條件下通常呈非冷凝性，在熱泵裝置中成為阻礙傳熱的主要因素。例如，在使用翅片管熱交換器進行制冷劑與外部氣體之間的熱交換的情況下，傳熱面處的非冷凝性氣體的熱阻趨于增大。因此，在使用了電化學壓縮機的熱泵裝置中，希望具有電化學活性的氣體的使用量少。
[0027]本發明的第一方案提供一種熱泵裝置，其具備:
[0028]蒸發器，其使制冷劑蒸發；
[0029]電化學壓縮機，其使用具有電化學活性的非冷凝性氣體，對通過所述蒸發器蒸發了的所述制冷劑進行壓縮；
[0030]冷凝器，其使由所述電化學壓縮機壓縮后的所述制冷劑冷凝；
[0031]制冷劑輸送路，其從所述冷凝器向所述蒸發器輸送所述制冷劑；以及
[0032]非冷凝性氣體返回路，其是相對于所述制冷劑輸送路另行設置的路徑，構成為將所述電化學壓縮機的噴出側的高壓空間與所述電化學壓縮機的吸入側的低壓空間連接，使所述非冷凝性氣體從所述高壓空間向所述低壓空間返回。
[0033]根據第一方案，非冷凝性氣體通過非冷凝性氣體返回路而從電化學壓縮機的噴出側的高壓空間向電化學壓縮機的吸入側的低壓空間返回。因此，能夠防止用于壓縮制冷劑的作為工作流體的非冷凝性氣體不足的現象。換言之，能夠減少非冷凝性氣體的使用量(非冷凝性氣體向熱泵裝置的填充量)。另外，由于能夠減少成為阻礙傳熱的主要因素的非冷凝性氣體的使用量，因此能夠提高熱泵裝置的效率。
[0034]在第一方案的基礎上，本發明的第二方案提供的熱泵裝置構成為，還具備閘門，該閘門設置于所述非冷凝性氣體返回路，且具有維持所述高壓空間與所述低壓空間之間的壓力差的能力以及使所述非冷凝性氣體從所述高壓空間向所述低壓空間返回的能力。通過維持高壓空間與低壓空間之間的壓力差，由此能夠使非冷凝性氣體從高壓空間向低壓空間返回，并且能夠繼續熱泵裝置的運轉。
[0035]在第二方案的基礎上，本發明的第三方案提供的熱泵裝置構成為，所述閘門包括從毛細管、流量調整閥以及開閉閥中選擇的至少一方。毛細管的優點是不需要特別的控制。在將開閉閥用作閘門的情況下，通過定期打開開閉閥，由此能夠使蓄積在高壓空間中的非冷凝性氣體向低壓空間返回。流量調整閥的優點是能夠通過改變開度來調整非冷凝性氣體返回路中的非冷凝性氣體的流量。
[0036]在第二方案的基礎上，本發明的第四方案提供的熱泵裝置構成為，所述閘門包括配置在所述非冷凝性氣體的流動方向的上游側的上游閥以及配置在所述流動方向的下游側的下游閥，所述熱泵裝置還具備閥控制部，該閥控制部如下進行控制:(i)以關閉所述下游閥且打開所述上游閥的方式控制所述上游閥以及所述下游閥，之后，(ii)以在關閉所述下游閥的狀態下關閉所述上游閥的方式控制所述上游閥以及所述下游閥，在此之后，(iii)以在關閉所述上游閥的狀態下打開所述下游閥的方式控制所述上游閥以及所述下游閥。根據第四方案，能夠抑制制冷劑蒸氣從高壓空間向低壓空間的逆流，并且能夠使非冷凝性氣體高效地從高壓空間向低壓空間返回。
[0037]在第二方案的基礎上，本發明的第五方案提供的熱泵裝置構成為，所述非冷凝性氣體是氫，所述閘門包括具有選擇性地使氫透過的能力的氫透過膜。若使用氫透過膜，則能夠可靠地防止制冷劑通過非冷凝性氣體返回路從高壓空間向低壓空間返回的現象。
[0038]在第一?第五方案中的任一方案的基礎上，本發明的第六方案提供的熱泵裝置構成為，所述非冷凝性氣體返回路具有與所述冷凝器的上部連接的一端。在冷凝器中，制冷劑被冷卻而發生冷凝。非冷凝性氣體因比重差而容易儲存在冷凝器的上部的空間。因此，若非冷凝性氣體返回路與冷凝器的上部連接，則非冷凝性氣體容易從冷凝器的內部空間(高壓空間)向非冷凝性氣體返回路進入。
[0039]在第一?第六方案中的任一方案的基礎上，本發明的第七方案提供的熱泵裝置構成為，還具備非冷凝性氣體收集器，該非冷凝性氣體收集器形成所述高壓空間的一部分，且構成為局部地提高所述非冷凝性氣體的濃度，所述非冷凝性氣體返回路與所述非冷凝性氣體收集器連接。根據第七方案，能夠高效且選擇性地使非冷凝性氣體從高壓空間向低壓空間返回。
[0040]在第七方案的基礎上，本發明的第八方案提供的熱泵裝置構成為，所述非冷凝性氣體收集器設置在所述冷凝器的上部。根據第八方案，能夠利用比重差容易地將非冷凝性氣體收集到非冷凝性氣體收集器。
[0041]在第七或者第八方案的基礎上，本發明的第九方案提供的熱泵裝置構成為，所述非冷凝性氣體收集器包括包圍所述高壓空間的一部分的隔壁、以及使由所述隔壁包圍的空間的壓力降低的減壓機構。通過降低由隔壁包圍的空間的壓力，由此能夠向該空間引入非冷凝性氣體。
[0042]在第九方案的基礎上，本發明的第十方案提供的熱泵裝置構成為，所述減壓機構是將低溫制冷劑向由所述隔壁包圍的空間導入的低溫制冷劑導入路，該低溫制冷劑通過對由所述冷凝器保持的所述制冷劑的一部分進行冷卻而得到。通過將低溫制冷劑向空間導入，降低由隔壁包圍的空間的溫度，由此能夠容易地降低該空間的壓力。
[0043]在第一?第十方案中任一方案的基礎上，本發明的第十一方案提供的熱泵裝置構成為，所述制冷劑包括從由水、醇以及氨構成的組中選擇的至少一種天然制冷劑。基于臭氧層的保護、溫室效應的防止等環境保護的觀點，優選使用天然制冷劑。
[0044]在第一?第十一方案中任一方案的基礎上，本發明的第十二方案提供的熱泵裝置構成為，所述非冷凝性氣體是氫。在非冷凝性氣體是氫時，能夠利用比重差將氫氣與制冷劑分離。
[0045]在第一?第十二方案中任一方案的基礎上，本發明的第十三方案提供的熱泵裝置構成為，以所述電化學壓縮機以及所述非冷凝性氣體返回路位于比由所述冷凝器保持的所述制冷劑的液面以及由所述蒸發器保持的所述制冷劑的液面靠鉛垂方向上方的位置的方式，確定所述電化學壓縮機、所述非冷凝性氣體返回路、所述冷凝器以及所述蒸發器的位置關系。根據第十三方案，電化學壓縮機容易吸入非冷凝性氣體。
[0046]在第一?第十三方案中任一方案的基礎上，本發明的第十四方案提供的熱泵裝置構成為，還具備:第一循環路，其具有第一泵以及第一熱交換器，通過所述第一泵的作用使所述制冷劑或者其他熱介質在所述蒸發器與所述第一熱交換器之間循環；第二循環路，其具有第二泵以及第二熱交換器，通過所述第二泵的作用使所述制冷劑或者其他熱介質在所述冷凝器與所述第二熱交換器之間循環；以及電源控制部，其通過切換向所述電化學壓縮機施加的施加電壓的極性而在第一運轉模式和第二運轉模式之間相互切換，在所述第一運轉模式中，所述第一循環路作為吸熱回路而發揮功能，并且所述第二循環路作為散熱回路而發揮功能，在所述第二運轉模式中，所述第一循環路作為散熱回路而發揮功能，并且所述第二循環路作為吸熱回路而發揮功能。根據第十四方案，無需使用用于切換制冷劑的流動方向的回路(四通閥)就能夠進行制冷、供暖的切換。
[0047]在第一?第十四方案中任一方案的基礎上，本發明的第十五方案提供的熱泵裝置構成為，還具備起動輔助機構，該起動輔助機構在所述熱泵裝置起動時，利用液相的所述制冷劑潤濕所述電化學壓縮機的電解質膜。通過向電化學壓縮機的電解質膜散布制冷劑液，適當地潤濕電解質膜，由此能夠容易地使電化學壓縮機起動。
[0048]本發明的第十六方案提供的熱泵裝置具備:
[0049]蒸發器，其使制冷劑蒸發；
[0050]電化學壓縮機，其具有電解質膜、配置在所述電解質膜的第一主面側的分子透過性的第一電極、以及配置在所述電解質膜的第二主面側的分子透過性的第二電極，該電化學壓縮機使用具有電化學活性的非冷凝性氣體，對通過所述蒸發器蒸發了的所述制冷劑進行壓縮；
[0051]冷凝器，其使由所述電化學壓縮機壓縮后的所述制冷劑冷凝；
[0052]電源控制部，其在所述第一電極的電位比所述第二電極的電位高的第一運轉模式與所述第二電極的電位比所述第一電極的電位高的第二運轉模式之間相互切換。
[0053]根據第十六方案，無需使用用于切換制冷劑的流動方向的回路(四通閥)就能夠進行制冷、供暖的切換。
[0054]在第十六方案的基礎上，本發明的第十七方案提供的熱泵裝置構成為，還具備:制冷劑輸送路，其用于從所述冷凝器向所述蒸發器輸送所述制冷劑；以及非冷凝性氣體返回路，其是相對于所述制冷劑輸送路另行設置的路徑，構成為將所述電化學壓縮機的噴出側的高壓空間與所述電化學壓縮機的吸入側的低壓空間連接，使所述非冷凝性氣體從所述高壓空間向所述低壓空間返回。根據第十七方案，能夠得到與第一方案相同的效果。
[0055]以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。需要說明的是，本發明并不限定于以下的實施方式。
[0056]如圖1所示，本實施方式的熱泵裝置100具備主回路2、第一循環路4以及第二循環路6。第一循環路4的兩端與主回路2連接。第二循環路6的兩端也與主回路2連接。在主回路2、第一循環路4以及第二循環路6中填充有制冷劑以及非冷凝性氣體來作為工作流體。制冷劑是冷凝性流體。非冷凝性氣體是具有電化學活性的氣體，用于在主回路2中壓縮制冷劑。
[0057]在本實施方式中，作為具有電化學活性的非冷凝性氣體，使用氫氣。因此，能夠利用比重差將氫氣與制冷劑分離。作為制冷劑，使用極性物質。詳細地說，作為制冷劑，可以使用水、醇、氨等天然制冷劑。基于臭氧層的保護、溫室效應的防止等環境保護的觀點，希望使用天然制冷劑。作為醇，可以列舉出甲醇、乙醇等低級醇。水以及醇是常溫(日本工業標準:20°C ±15°C /JIS Z8703)下的飽和蒸氣壓為負壓(在絕對壓力下比大氣壓低的壓力)的制冷劑。若使用常溫下的飽和蒸氣壓為負壓的制冷劑，則在熱泵裝置100運轉時，熱泵裝置100的內部的壓力低于大氣壓。在使用氨作為制冷劑的情況下，熱泵裝置100例如能夠在蒸發器10以及冷凝器16的內部的壓力成為比大氣壓高的壓力的條件下運轉。上述的制冷劑既可以單獨使用，也可以將兩種以上混合使用。基于防止凍結等理由，也可以使制冷劑含有防凍劑。作為防凍劑，可以使用乙二醇、丙二醇等醇。作為含有防凍劑的制冷劑，可以列舉出水與醇的混合制冷劑。醇也能作為制冷劑而發揮功能。
[0058]主回路2是使制冷劑循環的回路，具有蒸發器10、電化學壓縮機11、冷凝器16、制冷劑輸送路18以及非冷凝性氣體返回路28。制冷劑依次通過蒸發器10、電化學壓縮機11、冷凝器16以及制冷劑輸送路18。主回路2也可以具有用于將由蒸發器10生成的制冷劑蒸氣利用電化學壓縮機11壓縮并且向冷凝器16供給的蒸氣路徑(省略圖示)。在這種情況下，電化學壓縮機11配置在蒸氣路徑中。
[0059]電化學壓縮機11使用具有電化學活性的非冷凝性氣體，對通過蒸發器10蒸發了的制冷劑進行壓縮。具體而言，電化學壓縮機11具有電解質膜13 (電解質層)、第一電極12以及第二電極14。S卩，電化學壓縮機11具有在固體高分子形燃料電池中使用的膜-電極接合體(MEA:Membrane Electrode Assembly)的結構。電解質膜13例如是Naf1n (杜邦公司的注冊商標)這樣的全氟烷基磺酸膜。第一電極12配置在電解質膜13的第一主面側。第二電極14配置在電解質膜13的第二主面側。第一電極12以及第二電極14均通過例如碳纖維布這樣的導電性基材和擔載于導電性基材的貴金屬催化劑來構成。第一電極12以及第二電極14均具有使制冷劑的分子以及非冷凝性氣體的分子透過的性質。
[0060]在本說明書中，“具有電化學活性的氣體”意味著具有能夠協同極性物質在電解質膜13中從一側的面向另一側的面移動的能力的氣體。“非冷凝性氣體”意味著在熱泵裝置100的一般的運轉條件下、例如-25°C以上的溫度且低于2MPa的壓力下處于氣相狀態的物質的氣體。
[0061]蒸發器10例如通過具有隔熱性的耐壓容器而形成。在蒸發器10上連接第一循環路4的上游端及下游端。存積于蒸發器10的制冷劑液與通過在第一循環路4中循環而被加熱后的制冷劑液直接接觸。換句話說，存積于蒸發器10的制冷劑液的一部分在第一循環路4中被加熱，用作對飽和狀態的制冷劑液進行加熱的熱源。通過加熱飽和狀態的制冷劑液來生成制冷劑蒸氣。
[0062]在蒸發器10的內部配置有上部開口的小型的容器26。在容器26的內部配置有多孔性的填充材料24。第一循環路4的下游端以向填充材料24霧狀噴射制冷劑液的方式從蒸發器10的上部朝向容器26延伸。通過向容器26中的填充材料24霧狀噴射制冷劑液，由此氣液界面的面積增加，從而能夠促進制冷劑蒸氣的生成。制冷劑液的一部分從形成于容器26的底部的孔向下方流下，存積于蒸發器10。需要說明的是，只要能實現高效的制冷劑蒸氣的生成，填充材料24以及容器26并非是必需的。
[0063]第一循環路4由流路30、流路31、第一泵32以及第一熱交換器33構成。利用流路30將蒸發器10的底部與第一熱交換器33的入口連接起來。利用流路31將第一熱交換器33的出口與蒸發器10的上部連接起來。在流路30中配置有第一泵32。第一熱交換器33通過翅片管熱交換器等公知的熱交換器形成。通過第一泵32的作用使制冷劑在蒸發器10與第一熱交換器33之間循環。在熱泵裝置100是空氣調節裝置的情況下，第一熱交換器33配置在室內。如圖1所示，在進行室內的制冷的情況下，在第一熱交換器33中利用制冷劑液來冷卻室內的空氣。
[0064]第一循環路4也可以構成為不使存積于蒸發器10的制冷劑液與在第一循環路4中循環的其他熱介質混合。例如，在蒸發器10具有殼管式熱交換器這樣的熱交換結構的情況下，能夠利用在第一循環路4中循環的其他熱介質對存積于蒸發器10的制冷劑液進行加熱并使其蒸發。用于對存積于蒸發器10的制冷劑液進行加熱的其他熱介質在第一熱交換器33中流動。其他熱介質沒有特別限定。作為其他熱介質，可以使用水、鹽水等。
[0065]冷凝器16例如通過具有隔熱性的耐壓容器形成。在冷凝器16上連接第二循環路6的上游端及下游端。由電化學壓縮機11壓縮后的制冷劑蒸氣與通過在第二循環路6中循環而被冷卻后的制冷劑液直接接觸。換句話說，存積于冷凝器16的制冷劑液的一部分在第二循環路6中被冷卻，用作對過熱狀態的制冷劑蒸氣進行冷卻的冷能源。通過對過熱狀態的制冷劑蒸氣進行冷卻來生成高溫的制冷劑液。
[0066]在冷凝器16的內部，與蒸發器10同樣地配置有配備多孔性的填充材料24的小型的容器26。通過向容器26中的填充材料24霧狀噴射制冷劑液，由此氣液界面的面積增加，從而能夠促進制冷劑的冷凝。制冷劑液的一部分從形成于容器26的底部的孔向下方流下，存積于冷凝器16。需要說明的是，只要能夠實現高效的制冷劑蒸氣的冷凝，則填充材料24以及容器26并非是必需的。
[0067]第二循環路6由流路40、流路41、第二泵42以及第二熱交換器43構成。利用流路40將冷凝器16的底部與第二熱交換器43的入口連接起來。利用流路41將第二熱交換器43的出口與冷凝器16的上部連接起來。在流路40中配置有第二泵42。第二熱交換器43通過翅片管熱交換器等公知的熱交換器形成。通過第二泵42的作用使制冷劑在冷凝器16與第二熱交換器43之間循環。在熱泵裝置100是空氣調節裝置的情況下，第二熱交換器43配置在室外。如圖1所示，在進行室內的制冷的情況下，在第二熱交換器43中利用室外的空氣來冷卻制冷劑液。
[0068]與第一循環路4同樣，第二循環路6也可以構成為不使存積于冷凝器16的制冷劑液與在第二循環路6中循環的其他熱介質混合。例如，在冷凝器16具有殼管式熱交換器這樣的熱交換結構的情況下，能夠利用在第二循環路6中循環的其他熱介質對供給到冷凝器16的制冷劑蒸氣進行冷卻并使其冷凝。用于對供給到冷凝器16的制冷劑蒸氣進行冷卻的其他熱介質在第二熱交換器43中流動。
[0069]如圖1所示，在第一循環路4以及第二循環路6分別與蒸發器10以及冷凝器16連接時，第一循環路4以及第二循環路6分別作為將制冷劑加熱的吸熱回路以及將制冷劑冷卻的散熱回路而發揮功能。另一方面，如圖2所示，通過切換向電化學壓縮機11施加的施加電壓的極性，由此蒸發器10與冷凝器16相互調換。在第一循環路4以及第二循環路6分別與冷凝器16以及蒸發器10連接時，第一循環路4以及第二循環路6分別作為將制冷劑冷卻的散熱回路以及將制冷劑加熱的吸熱回路而發揮功能。在熱泵裝置100是空氣調節裝置，第一熱交換器33配置于室內機50,第二熱交換器43配置于室外機時，圖1表不制冷時的熱泵裝置100的狀態，圖2表示供暖時的熱泵裝置100的狀態。
[0070]需要說明的是，在熱泵裝置100是冷機、熱水供暖裝置或者水冷式冷凝器時，第一熱交換器33以及/或者第二熱交換器43可以是使鹽水、水等熱介質與制冷劑之間發生熱交換的液-液熱交換器。
[0071]在本實施方式中，使用第一循環路4對存積于蒸發器10的制冷劑液進行加熱，使用第二循環路6對存積于冷凝器16的制冷劑液進行冷卻。這樣，根據使制冷劑液強制性地在第一循環路4及第二循環路6中循環的方式，能夠盡可能減小熱交換器33、34中的非冷凝性氣體的影響。在使用具有比較高的飽和蒸氣壓的制冷劑(例如氨)的情況下，非冷凝性氣體的分壓的影響較小。在這種情況下，作為熱交換器33、43，也可以取代使液體制冷劑循環的熱交換器，而使用在傳熱管的內部使制冷劑蒸發或在傳熱管的內部使制冷劑冷凝的普通的熱交換器。
[0072]如圖1所示，制冷劑輸送路18是用于將制冷劑(詳細而言是制冷劑液)從冷凝器16向蒸發器10輸送的流路。利用制冷劑輸送路18將蒸發器10的底部與冷凝器16的底部連接起來。也可以在制冷劑輸送路18中設置毛細管、開度可變的膨脹閥等。
[0073]非冷凝性氣體返回路28是相對于制冷劑輸送路18另行設置的路徑，構成為將電化學壓縮機11的噴出側的高壓空間與電化學壓縮機11的吸入側的低壓空間連接，使非冷凝性氣體從高壓空間向低壓空間返回。由于非冷凝性氣體通過非冷凝性氣體返回路28從高壓空間向低壓空間返回，因此能夠防止用于壓縮制冷劑的作為工作流體的非冷凝性氣體不足的現象。換言之，能夠減少非冷凝性氣體的使用量(非冷凝性氣體向熱泵裝置100的填充量)。另外，由于能夠抑制成為阻礙傳熱的主要因素的非冷凝性氣體向制冷劑液進行循環的熱交換器33、43流入，因此能夠提高熱泵裝置100的效率。在本實施方式中，非冷凝性氣體返回路28與冷凝器16以及蒸發器10直接連接，將冷凝器16的內部空間(高壓空間)與蒸發器10的內部空間(低壓空間)連接起來。
[0074]在非冷凝性氣體返回路28中設置有閘門22，該閘門22具有維持高壓空間與低壓空間之間的壓力差的能力、以及使非冷凝性氣體從高壓空間向低壓空間返回的能力。通過維持高壓空間與低壓空間之間的壓力差，能夠使非冷凝性氣體從高壓空間向低壓空間返回，并且能夠繼續進行熱泵裝置100的運轉。
[0075]具體而言，作為閘門22，可以使用毛細管、流量調整閥或者開閉閥。毛細管的優點是不需要特別的控制。在將開閉閥用作閘門22的情況下，通過定期打開開閉閥，由此能夠使蓄積在高壓空間中的非冷凝性氣體向低壓空間返回。如后所述，在設置有非冷凝性氣體收集器39的情況下，也可以估計在非冷凝性氣體收集器39中充分蓄積有非冷凝性氣體的時期而將開閉閥打開。由此，能夠抑制熱泵裝置100的效率的降低，并且能夠高效地使非冷凝性氣體從高壓空間向低壓空間返回。在開閉閥被關閉的期間，制冷劑以及非冷凝性氣體無法通過非冷凝性氣體返回路28，因此熱泵裝置100能夠高效地運轉。流量調整閥的優點是能夠通過改變開度來調整非冷凝性氣體返回路中的非冷凝性氣體的流量。流量調整閥以及開閉閥的型式可以是電動式、空氣工作式或者液壓工作式。也可以根據情況的不同，以與開閉閥相同的目的使用流量調整閥。需要說明的是，也可以將從毛細管、流量調整閥以及開閉閥任意選擇的多個元件的組合用作閘門22。此外，也可以將相同種類的多個元件用作閘門22。
[0076]例如，如圖3所示，閘門22可以由上游閥22a以及下游閥22b構成。上游閥22a是配置在非冷凝性氣體返回路28中的非冷凝性氣體的流動方向的上游側的閥。下游閥22b是配置在非冷凝性氣體返回路28中的非冷凝性氣體的流動方向的下游側的閥。上游閥22a以及下游閥22b以彼此分離的方式配置在非冷凝性氣體返回路28中，以便能夠在上游閥22a與下游閥22b之間的非冷凝性氣體返回路28的中間部28a暫時保持適量的非冷凝性氣體。上游閥22a以及下游閥22b由閥控制部23來控制。閥控制部23利用以下的方法控制上游閥22a以及下游閥22b。首先，以關閉下游閥22b且打開上游閥22a的方式控制上游閥22a以及下游閥22b。于是，非冷凝性氣體儲存于中間部28a。接下來，以在關閉下游閥22b的狀態下關閉上游閥22a的方式控制上游閥22a以及下游閥22b。于是，在中間部28a封入非冷凝性氣體。進而，以在關閉上游閥22a的狀態下打開下游閥22b的方式控制上游閥22a以及下游閥22b。由此，將非冷凝性氣體向低壓空間放出。通過以該順序執行上述控制，由此能夠抑制制冷劑蒸氣從高壓空間向低壓空間的逆流，并且能夠高效地使非冷凝性氣體從高壓空間向低壓空間返回。參照圖3所說明的方法在非冷凝性氣體與制冷劑蒸氣之間存在足夠的比重差的情況下尤其有效。
[0077]另外，若使用氫作為非冷凝性氣體，則作為閘門22，可以使用具有選擇性地使氫透過的能力的氫透過膜。作為氫透過膜，例如公知有沸石膜以及鈀膜(包括鈀合金膜)。鈀膜通過利用加熱器充分地加熱而選擇性地使氫透過。若使用上述的氫透過膜，則能夠可靠地防止制冷劑蒸氣通過非冷凝性氣體返回路28從高壓空間向低壓空間返回的現象。
[0078]如圖1所示，非冷凝性氣體返回路28具有與冷凝器16的上部連接的一端。在冷凝器16中，制冷劑被冷卻并冷凝。非冷凝性氣體因比重差而容易儲存在冷凝器16的上部的空間。因此，若非冷凝性氣體返回路28與冷凝器16的上部連接，則非冷凝性氣體容易從冷凝器16的內部空間(高壓空間)向非冷凝性氣體返回路28進入。需要說明的是，如后所述，在本實施方式的熱泵裝置100中，通過切換向電化學壓縮機11施加的施加電壓的極性，由此蒸發器10與冷凝器16相互調換(參照圖4以及圖5)。因此，希望非冷凝性氣體返回路28具有與冷凝器16的上部連接的一端和與蒸發器10的上部連接的另一端。
[0079]熱泵裝置100還具備非冷凝性氣體收集器39，該非冷凝性氣體收集器39形成電化學壓縮機11的噴出側的高壓空間的一部分，且構成為局部地提高非冷凝性氣體的濃度(分壓)。在非冷凝性氣體收集器39上連接非冷凝性氣體返回路28。根據這樣的結構，能夠高效且選擇性地使非冷凝性氣體從高壓空間向低壓空間返回。
[0080]在非冷凝性氣體的比重小于制冷劑蒸氣的比重的情況下，優選非冷凝性氣體收集器39設置在冷凝器16的上部。根據這樣的結構，非冷凝性氣體能夠因比重差而容易地由非冷凝性氣體收集器39收集。具體而言，非冷凝性氣體收集器39具有隔壁37以及減壓機構38。隔壁37是包圍高壓空間的一部分的部分。在本實施方式中，隔壁37配置在冷凝器16的內部，包圍冷凝器16的內部空間的一部分。減壓機構38具有使由隔壁37包圍的空間36的壓力降低的功能。通過降低由隔壁37包圍的空間36的壓力，由此能夠向該空間36引入非冷凝性氣體。需要說明的是，非冷凝性氣體的比重以及制冷劑蒸氣的比重利用熱泵裝置100運轉中的冷凝器16內部的值進行比較。具體而言，“非冷凝性氣體的比重”能夠在冷凝器16的內部的溫度是特定的溫度并且非冷凝性氣體在冷凝器16的內部具有任意的分壓時，根據該溫度及該分壓下的非冷凝性氣體的密度而算出。相同地，“制冷劑蒸氣的比重”能夠在冷凝器16的內部的溫度是特定的溫度時，根據該溫度下的制冷劑的飽和蒸氣壓下的制冷劑蒸氣的密度而算出。“特定的溫度”意味著在熱泵裝置100進行穩定運轉時的冷凝器16的內部，制冷劑能夠獲得的任意的溫度。“比重”一詞例如用作表示非冷凝性氣體或制冷劑蒸氣的密度相對于空氣的密度(0°C、1氣壓下的值)的比率。
[0081]減壓機構38例如是低溫制冷劑導入路38。低溫制冷劑導入路38承擔將低溫制冷劑向由隔壁37包圍的空間36導入的作用，其中該低溫制冷劑通過將保持于冷凝器16的制冷劑的一部分向冷凝器16的外部取出并冷卻而得到。通過將低溫制冷劑向空間36導入，降低由隔壁37包圍的空間36的溫度，由此能夠容易地降低該空間36的壓力。作為用于使空間36的溫度降低的介質，使用熱泵裝置100的制冷劑，由此能夠避免使用特別的冷卻結構以及其他制冷劑。在本實施方式中，隔壁37具有凹形狀，能夠承接來自低溫制冷劑導入路38的低溫制冷劑并將其暫時保持。通過低溫制冷劑導入路38而向空間36導入的低溫制冷劑由隔壁37暫時保持，從形成于隔壁37的底部的孔向下方流下。為了有效地降低空間36的溫度，低溫制冷劑導入路38的出口端也可以具有能夠將低溫制冷劑以霧狀向空間36噴射的結構。
[0082]低溫制冷劑導入路38的入口端與第二熱交換器43連接。在第二熱交換器43是翅片管熱交換器且具有多個分支路43a?43c時，低溫制冷劑導入路38的入口端與這些分支路43a?43c中的、位于最上風側的分支路43c的下游部分連接。由上風側的分支路43c冷卻后的制冷劑液的溫度與由位于下風側的分支路43b、43a冷卻后的制冷劑液的溫度相比相對低。因此，通過經由低溫制冷劑導入路38將由分支路43c冷卻后的制冷劑液向空間36導入，由此能夠更加有效地降低空間36的溫度。其結果是，能夠在空間36中高效地收集非冷凝性氣體。其中，低溫制冷劑導入路38也可以從流路41分支。另外，也可以在低溫制冷劑導入路38設置開閉閥35。由此，能夠禁止通過低溫制冷劑導入路38向空間36導入制冷劑。但是，也可以省略開閉閥35，而始終通過低溫制冷劑導入路38向空間36導入制冷劑。另外，也可以取代開閉閥35而設置毛細管等固定節流件。
[0083]在本實施方式中，非冷凝性氣體收集器39設置在冷凝器16的內部。但這并非是必須的。例如，在設置有將電化學壓縮機11與冷凝器16連接的蒸氣路徑時，也可以在該蒸氣路徑上設置非冷凝性氣體收集器39。
[0084]如后所述，本實施方式的熱泵裝置100通過切換向電化學壓縮機11施加的施加電壓的極性而使蒸發器10與冷凝器16相互調換(參照圖4以及圖5)。因此，在蒸發器10的上部也設置有與設在冷凝器16的上部的非冷凝性氣體收集器39相同結構的非冷凝性氣體收集器39。被非冷凝性氣體收集器39的隔壁37包圍的空間46是低壓空間的一部分。非冷凝性氣體通過非冷凝性氣體返回路28向該空間46返回。返回到低壓空間的非冷凝性氣體為了壓縮制冷劑而在電化學壓縮機11中被再次使用。優選非冷凝性氣體返回路28的另一端(出口端)位于電化學壓縮機11的吸入口的附近，以使返回到低壓空間的非冷凝性氣體能夠容易地到達電化學壓縮機11。
[0085]設置在蒸發器10的上部的非冷凝性氣體收集器39也具有低溫制冷劑導入路38。低溫制冷劑導入路38的入口端例如與第一熱交換器33連接。在第一熱交換器33是翅片管熱交換器且具有多個分支路33a?33c時，低溫制冷劑導入路38的入口端與這些分支路33a?33c中的、位于最上風側的分支路33c的下游部分連接。低溫制冷劑導入路38也可以從流路31分支。也可以在低溫制冷劑導入路38設置開閉閥35。也可以取代開閉閥35而設置毛細管等固定節流件。
[0086]在本實施方式中，以電化學壓縮機11以及非冷凝性氣體返回路28位于比由冷凝器16保持的制冷劑的液面以及由蒸發器10保持的制冷劑的液面靠鉛垂方向上方的位置的方式，確定電化學壓縮機11、非冷凝性氣體返回路28、冷凝器16以及蒸發器10的位置關系。根據這樣的結構，電化學壓縮機11容易吸入非冷凝性氣體。
[0087]如圖6所示，熱泵裝置100也可以具備起動輔助機構56，該起動輔助機構56在熱泵裝置100起動時利用液相的制冷劑潤濕電化學壓縮機11的電解質膜13。在本實施方式中，起動輔助機構56由制冷劑液導入路58以及三通閥60構成。制冷劑液導入路58是用于將存積于冷凝器16的制冷劑液向電化學壓縮機11引導的流路。三通閥60在第二循環路6的流路40中設于第二泵42與第二熱交換器43之間。三通閥60也可以被替換為設于制冷劑液導入路58的開閉閥。在熱泵裝置100起動時，以經由制冷劑液導入路58向電化學壓縮機11供給制冷劑液的方式控制第二泵42以及三通閥60。通過向電化學壓縮機11的電解質膜13散布制冷劑液，適當地潤濕電解質膜13，由此能夠使電化學壓縮機11容易地起動。
[0088]另外，制冷劑液導入路58也可以是用于將存積于蒸發器10的制冷劑液向電化學壓縮機11引導的流路。三通閥60也可以在第一循環路4的流路30中設于第一泵32與第一熱交換器33之間。若為了向制冷劑液導入路58送入制冷劑而使用第一循環路4的第一泵32或者第二循環路6的第二泵42，則不需要設置追加的泵。但是，只要能夠向電化學壓縮機11供給制冷劑液，則制冷劑液導入路58可以從熱泵裝置100的任意位置分支。例如，也可以使制冷劑液導入路58與蒸發器10或者冷凝器16直接連接，以便能夠從蒸發器10或者冷凝器16直接獲取制冷劑液。此外，制冷劑液導入路58也可以從制冷劑輸送路18分支。
[0089]接下來，對熱泵裝置100的運轉進行說明。
[0090]如圖1所示，由電化學壓縮機11壓縮后的制冷劑蒸氣在冷凝器16中與由第二熱交換器43過冷卻后的制冷劑液進行熱交換而冷凝。在冷凝器16中冷凝了的制冷劑液的一部分經由制冷劑輸送路18被向蒸發器10輸送。存積于蒸發器10的制冷劑液的一部分在第一泵32的作用下向第一熱交換器33供給。制冷劑液在第一熱交換器33中從室內的空氣奪取熱量，之后向蒸發器10返回。存積于蒸發器10的制冷劑液因減壓下的沸騰而蒸發。由蒸發器10生成的制冷劑蒸氣被電化學壓縮機11吸入。由此，進行室內的制冷。
[0091]如圖4所示，以沿著從第一電極12朝向第二電極14的方向產生電場的方式在第一電極12以及第二電極14上連接直流電源52。第一電極12的電位與第二電極14的電位相比例如每單電池高0.1?1.3V左右。氫分子在第一電極12(陽極)處分離成質子和電子。質子橫穿電解質膜13的內部，在第二電極14(陰極)處接受電子而再次結合成為氫分子。此時，極性物質的簇被質子帶動而從與第一電極12相鄰的空間向與第二電極14相鄰的空間移動。由此，與第一電極12相鄰的空間的壓力下降，與第二電極14相鄰的空間的壓力上升。
[0092]如圖5所不,若以沿著從第二電極14朝向第一電極12的方向產生電場的方式切換向第一電極12以及第二電極14施加的施加電壓的極性，則與第一電極12相鄰的空間的壓力上升，與第二電極14相鄰的空間的壓力下降。于是，如圖2所示，主回路2中的制冷劑的循環方向翻轉。由此，進行室內的供暖。
[0093]如圖4以及圖5所示，熱泵裝置100具備電源控制部54，該電源控制部54通過切換向電化學壓縮機11施加的施加電壓的極性，由此在第一運轉模式(圖1以及圖4:制冷運轉)與第二運轉模式(圖2以及圖5:供暖運轉)之間相互切換。換言之，電源控制部54在第一電極12的電位比第二電極14的電位高的第一運轉模式與第二電極14的電位比第一電極12的電位高的第二運轉模式之間相互切換。如圖1所示，第一運轉模式是第一循環路4作為吸熱回路而發揮功能，并且第二循環路6作為散熱回路而發揮功能的運轉模式。第一運轉模式典型地是進行室內的制冷的運轉模式。第二運轉模式是第一循環路4作為散熱回路而發揮功能，并且第二循環路6作為吸熱回路而發揮功能的運轉模式。第二運轉模式典型地是進行室內的供暖的運轉模式。根據電源控制部54，無需使用用于切換制冷劑的流動方向的回路(四通閥)就能夠進行制冷、供暖的切換。
[0094]如圖1所示，在第一運轉模式中，設置在與第二循環路6同一側的低溫制冷劑導入路38的開閉閥35打開，設置在與第一循環路4同一側的低溫制冷劑導入路38的開閉閥35關閉。如圖2所示，在第二運轉模式中，設置在與第一循環路4同一側的低溫制冷劑導入路38的開閉閥35打開，設置在與第二循環路6同一側的低溫制冷劑導入路38的開閉閥35關閉。
[0095]電源控制部54例如是包括Α/D轉換電路、輸入輸出電路、運算電路以及存儲裝置等在內的DSP (Digital Signal Processor)。與電源控制部54同樣，圖3所示的閥控制部23也可以是通用的DSP。電源控制部54的硬件也可以與閥控制部23的硬件共用。此外，這些閥控制部23以及電源控制部54的硬件也可以與用于控制第一泵32、第二泵42、開閉閥35以及三通閥60的控制部的硬件共用。
[0096](變形例)
[0097]圖7所示的電化學壓縮機IlA具備壓縮機主體15以及非冷凝性氣體返回路28。即，非冷凝性氣體返回路28也可以是電化學壓縮機IlA的一部分。在非冷凝性氣體返回路28中設置有閘門22。特別是，在閘門22是不需要大空間的部件(例如氫分離膜)的情況下，能夠比較容易地將非冷凝性氣體返回路28配置在電化學壓縮機IlA的殼體中。壓縮機主體15如之前說明的那樣通過膜-電極接合體而形成。
[0098]工業上的可利用性
[0099]在本說明書中公開的熱泵裝置能夠廣泛應用于冷機、空氣調節裝置以及熱水供暖
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【權利要求】
1.一種熱泵裝置，具備: 蒸發器，其使制冷劑蒸發； 電化學壓縮機，其使用具有電化學活性的非冷凝性氣體，對通過所述蒸發器蒸發了的所述制冷劑進行壓縮； 冷凝器，其使由所述電化學壓縮機壓縮后的所述制冷劑冷凝； 制冷劑輸送路，其從所述冷凝器向所述蒸發器輸送所述制冷劑；以及非冷凝性氣體返回路，其是相對于所述制冷劑輸送路另行設置的路徑，構成為將所述電化學壓縮機的噴出側的高壓空間與所述電化學壓縮機的吸入側的低壓空間連接，使所述非冷凝性氣體從所述高壓空間向所述低壓空間返回。
2.根據權利要求1所述的熱泵裝置，其中， 所述熱泵裝置還具備閘門，該閘門設置于所述非冷凝性氣體返回路，且具有維持所述高壓空間與所述低壓空間之間的壓力差的能力以及使所述非冷凝性氣體從所述高壓空間向所述低壓空間返回的能力。
3.根據權利要求2所述的熱泵裝置，其中， 所述閘門包括從毛細管、流量調整閥以及開閉閥中選擇的至少一方。
4.根據權利要求2所述的熱泵裝置，其中， 所述閘門包括配置在所述非冷凝性氣體的流動方向的上游側的上游閥以及配置在所述流動方向的下游側的下游閥， 所述熱泵裝置還具備閥控制部，該閥控制部如下進行控制:(i)以關閉所述下游閥且打開所述上游閥的方式控制所述上游閥以及所述下游閥，之后，(ii)以在關閉所述下游閥的狀態下關閉所述上游閥的方式控制所述上游閥以及所述下游閥，在此之后，(iii)以在關閉所述上游閥的狀態下打開所述下游閥的方式控制所述上游閥以及所述下游閥。
5.根據權利要求2所述的熱泵裝置，其中， 所述非冷凝性氣體是氫， 所述閘門包括具有選擇性地使氫透過的能力的氫透過膜。
6.根據權利要求1所述的熱泵裝置，其中 所述非冷凝性氣體返回路具有與所述冷凝器的上部連接的一端。
7.根據權利要求1所述的熱泵裝置，其中， 所述熱泵裝置還具備非冷凝性氣體收集器，該非冷凝性氣體收集器形成所述高壓空間的一部分，且構成為局部地提高所述非冷凝性氣體的濃度， 所述非冷凝性氣體返回路與所述非冷凝性氣體收集器連接。
8.根據權利要求7所述的熱泵裝置，其中， 所述非冷凝性氣體收集器設置在所述冷凝器的上部。
9.根據權利要求7所述的熱泵裝置，其中， 所述非冷凝性氣體收集器包括包圍所述高壓空間的一部分的隔壁、以及使由所述隔壁包圍的空間的壓力降低的減壓機構。
10.根據權利要求9所述的熱泵裝置，其中， 所述減壓機構是將低溫制冷劑向由所述隔壁包圍的空間導入的低溫制冷劑導入路，該低溫制冷劑通過對由所述冷凝器保持的所述制冷劑的一部分進行冷卻而得到。
11.根據權利要求1所述的熱泵裝置，其中， 所述制冷劑包括從由水、醇以及氨構成的組中選擇的至少一種天然制冷劑。
12.根據權利要求1所述的熱泵裝置，其中， 所述非冷凝性氣體是氫。
13.根據權利要求1所述的熱泵裝置，其中， 以所述電化學壓縮機以及所述非冷凝性氣體返回路位于比由所述冷凝器保持的所述制冷劑的液面以及由所述蒸發器保持的所述制冷劑的液面靠鉛垂方向上方的位置的方式，確定所述電化學壓縮機、所述非冷凝性氣體返回路、所述冷凝器以及所述蒸發器的位置關系O
14.根據權利要求1所述的熱泵裝置，其中， 所述熱泵裝置還具備: 第一循環路，其具有第一泵以及第一熱交換器，通過所述第一泵的作用使所述制冷劑或者其他熱介質在所述蒸發器與所述第一熱交換器之間循環； 第二循環路，其具有第二泵以及第二熱交換器，通過所述第二泵的作用使所述制冷劑或者其他熱介質在所述冷凝器與所述第二熱交換器之間循環；以及 電源控制部，其通過切換向所述電化學壓縮機施加的施加電壓的極性而在第一運轉模式和第二運轉模式之間相互切換，在所述第一運轉模式中，所述第一循環路作為吸熱回路而發揮功能，并且所述第二循環路作為散熱回路而發揮功能，在所述第二運轉模式中，所述第一循環路作為散熱回路而發揮功能，并且所述第二循環路作為吸熱回路而發揮功能。
15.根據權利要求1所述的熱泵裝置，其中， 所述熱泵裝置還具備起動輔助機構，該起動輔助機構在所述熱泵裝置起動時，利用液相的所述制冷劑潤濕所述電化學壓縮機的電解質膜。
16.一種熱泵裝置，具備: 蒸發器，其使制冷劑蒸發； 電化學壓縮機，其具有電解質膜、配置在所述電解質膜的第一主面側的分子透過性的第一電極、以及配置在所述電解質膜的第二主面側的分子透過性的第二電極，該電化學壓縮機使用具有電化學活性的非冷凝性氣體，對通過所述蒸發器蒸發了的所述制冷劑進行壓縮； 冷凝器，其使由所述電化學壓縮機壓縮后的所述制冷劑冷凝； 電源控制部，其在所述第一電極的電位比所述第二電極的電位高的第一運轉模式與所述第二電極的電位比所述第一電極的電位高的第二運轉模式之間相互切換。
17.根據權利要求16所述的熱泵裝置，其中， 所述熱泵裝置還具備: 制冷劑輸送路，其用于從所述冷凝器向所述蒸發器輸送所述制冷劑；以及非冷凝性氣體返回路，其是相對于所述制冷劑輸送路另行設置的路徑，構成為將所述電化學壓縮機的噴出側的高壓空間與所述電化學壓縮機的吸入側的低壓空間連接，使所述非冷凝性氣體從所述高壓空間向所述低壓空間返回。
【文檔編號】F25B23/00GK104169665SQ201480000867
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年1月23日 優先權日:2013年1月24日
【發明者】坂本直樹, 原木雄 申請人:松下電器產業株式會社