热交换装置以及热泵装置.pdf

热交换装置(300)具备第一热交换器(14)、喷射器(11)、第一提取器(12)、第一泵(13)以及液体路径(15)。喷射器(11)使用制冷剂蒸气和从第一热交换器(14)流出的制冷剂液体来生成制冷剂混合物。第一提取器(12)从喷射器(11)接收制冷剂混合物，且从制冷剂混合物中提取制冷剂液体。第一泵(13)设于液体路径(15)上。制冷剂液体通过第一泵(13)而从第一提取器(12)向喷射器(11)压力输送。

权利要求书
1.  一种热交换装置，具备：
第一热交换器，其供制冷剂液体流动；
喷射器，其使用从外部供给的制冷剂蒸气和从所述第一热交换器流出的所述制冷剂液体来生成制冷剂混合物；
第一提取器，其从所述喷射器接收所述制冷剂混合物，且从所述制冷剂混合物中提取所述制冷剂液体；
液体路径，其从所述第一提取器经由所述第一热交换器而到达所述喷射器；以及
第一泵，其设于所述液体路径，且将所述制冷剂液体从所述第一提取器向所述喷射器压力输送。

2.  根据权利要求1所述的热交换装置，其中，
所述第一泵在所述第一提取器与所述第一热交换器之间设于所述液体路径上。

3.  根据权利要求2所述的热交换装置，其中，
还具备第二泵，该第二泵在所述第一热交换器与所述喷射器之间设于所述液体路径上，且将从所述第一热交换器流出的所述制冷剂液体向所述喷射器压力输送。

4.  根据权利要求3所述的热交换装置，其中，
所述第二泵的泵压头设定为比所述第一泵的泵压头高。

5.  根据权利要求3所述的热交换装置，其中，
还具备第二提取器，该第二提取器在所述第一热交换器与所述第二泵之间设于所述液体路径上，并且该第二提取器从自所述第一热交换器流出的所述制冷剂中提取所述制冷剂液体，以向所述第二泵选择性地供给所述制冷剂液体。

6.  根据权利要求5所述的热交换装置，其中，
所述第二提取器是对所述制冷剂液体与所述制冷剂蒸气进行分离的气液分离器。

7.  根据权利要求1所述的热交换装置，其中，
所述第一泵在所述第一热交换器与所述喷射器之间设于所述液体路径上。

8.  根据权利要求1所述的热交换装置，其中，
所述第一提取器是对所述制冷剂液体与所述制冷剂蒸气进行分离的气液分离器。

9.  根据权利要求1所述的热交换装置，其中，
所述喷射器具有：第一喷嘴，所述制冷剂液体向该第一喷嘴供给；第二喷嘴，所述制冷剂蒸气由该第二喷嘴吸入；混合部，其对来自所述第一喷嘴的所述制冷剂液体与来自所述第二喷嘴的所述制冷剂蒸气进行混合而生成所述制冷剂混合物；以及扩散部，其通过对所述制冷剂混合物进行减速来使静压恢复。

10.  根据权利要求1所述的热交换装置，其中，
从所述喷射器喷出的所述制冷剂混合物的压力比由所述喷射器吸入的所述制冷剂蒸气的压力高，且比向所述喷射器供给的所述制冷剂液体的压力低。

11.  根据权利要求1所述的热交换装置，其中，
所述制冷剂包含水。

12.  一种热泵装置，具备：
压缩机，其对制冷剂蒸气进行压缩；
第一热交换器，其供制冷剂液体流动；
喷射器，其使用由所述压缩机压缩后的所述制冷剂蒸气和从所述第一热交换器流出的所述制冷剂液体来生成制冷剂混合物；
第一提取器，其从所述喷射器接收所述制冷剂混合物，且从所述制冷剂混合物中提取所述制冷剂液体；
液体路径，其从所述第一提取器经由所述第一热交换器而到达所述喷射器；
第一泵，其设于所述液体路径，且将所述制冷剂液体从所述第一提取器向所述喷射器压力输送；
蒸发器，其存积所述制冷剂液体，且通过使所述制冷剂液体蒸发来生成要由所述压缩机压缩的所述制冷剂蒸气；
第二热交换器，其供在所述蒸发器中存积的所述制冷剂液体或者用于对在所述蒸发器中存积的所述制冷剂液体进行加热的热介质流动；
循环路，其使所述制冷剂液体或所述热介质经由所述第二热交换器而进行循环；以及
其他泵，其设于所述循环路上，将所述制冷剂液体从所述蒸发器向所述第二热交换器压力输送。

13.  根据权利要求12所述的热泵装置，其中，
所述第一泵在所述第一提取器与所述第一热交换器之间设于所述液体路径上。

14.  根据权利要求13所述的热泵装置，其中，
还具备第二泵，该第二泵在所述第一热交换器与所述喷射器之间设于所述液体路径上，且将从所述第一热交换器流出的所述制冷剂液体向所述喷射器压力输送。

15.  根据权利要求14所述的热泵装置，其中，
所述第一泵的出口压力比所述第二泵的出口压力低。

16.  根据权利要求14所述的热泵装置，其中，
还具备第二提取器，该第二提取器在所述第一热交换器与所述第二泵之间设于所述液体路径上，并且该第二提取器从自所述第一热交换器流出的所述制冷剂中提取所述制冷剂液体，以向所述第二泵选择性地供给所述制冷剂液体。

17.  根据权利要求12所述的热泵装置，其中，
所述第一泵在所述第一热交换器与所述喷射器之间设于所述液体路径上。

18.  根据权利要求12所述的热泵装置，其中，
所述喷射器具有：第一喷嘴，所述制冷剂液体向该第一喷嘴供给；第二喷嘴，所述制冷剂蒸气由该第二喷嘴吸入；混合部，其对来自所述第一喷嘴的所述制冷剂液体与来自所述第二喷嘴的所述制冷剂蒸气进行混合而生成所述制冷剂混合物；以及扩散部，其通过对所述制冷剂混合物进行减速来使静压恢复。

19.  根据权利要求12所述的热泵装置，其中，
从所述喷射器喷出的所述制冷剂混合物的压力比由所述喷射器吸入的所述制冷剂蒸气的压力高，且比向所述喷射器供给的所述制冷剂液体的压力低。

说明书热交换装置以及热泵装置
技术领域
本发明涉及一种热交换装置以及热泵装置。
背景技术
热泵装置的典型示例是在空气调节装置、冷冻冷藏库、供热水机等设备中使用的制冷循环装置。在现有的制冷循环装置中，使用氟利昂或氟利昂代用材料作为制冷剂。然而，这些制冷剂存在着破坏臭氧层、导致温室效应等环境问题。在专利文献1中，公开有一种使用水作为对地球环境的负荷极小的制冷剂的制冷循环装置。在图12中示出专利文献1所公开的制冷循环装置。
制冷循环装置100具备蒸发器110、冷凝器120、第一循环路150以及第二循环路160。蒸发器110的上部通过第一连通路130而与冷凝器120的上部连接。在第一连通路130中设有压缩机131以及压缩机132。蒸发器110的下部通过第二连通路140而与冷凝器120的下部连接。
另外，出于减小对地球环境产生的负荷的目的，希望提高制冷循环装置的效率。在专利文献2中，公开有一种使用喷射器作为回收制冷剂的膨胀能的机构的制冷循环装置。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-122012号公报
专利文献2：美国专利第3701264号说明书
发明内容
发明要解决的课题
然而，在使用像水那样常温(日本工业规格：20℃±15℃/JIS Z8703)下的饱和蒸气压为负压的制冷剂的热交换装置或热泵装置中，要求进一步 的性能改善。为了改善热交换装置或热泵装置的性能，用于有效地提高制冷剂的压力的技术是必不可少的。
本发明的目的在于提供一种用于有效地提高制冷剂的压力的技术。
用于解决课题的方案
即，本发明提供一种热交换装置，具备：
第一热交换器，其供制冷剂液体流动；
喷射器，其使用从外部供给的制冷剂蒸气和从所述第一热交换器流出的所述制冷剂液体来生成制冷剂混合物；
第一提取器，其从所述喷射器接收所述制冷剂混合物，且从所述制冷剂混合物中提取所述制冷剂液体；
液体路径，其从所述第一提取器经由所述第一热交换器而到达所述喷射器；以及
第一泵，其设于所述液体路径，且将所述制冷剂液体从所述第一提取器向所述喷射器压力输送。
发明效果
根据上述的技术，能够有效地提高制冷剂的压力。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式所涉及的热泵装置的结构图。
图2是喷射器的剖视图。
图3A是图12示出的现有的制冷循环装置中的莫里尔图(Mollier chart)。
图3B是本实施方式的热泵装置中的莫里尔图。
图4是变形例1所涉及的热泵装置的结构图。
图5是变形例2所涉及的热泵装置的结构图。
图6是变形例3所涉及的热泵装置的结构图。
图7是变形例3的热泵装置中的莫里尔图。
图8是变形例4所涉及的热交换装置的结构图。
图9是变形例5所涉及的热交换装置的结构图。
图10是变形例6所涉及的热交换装置的结构图。
图11是变形例7所涉及的热交换装置的结构图。
图12是现有的制冷循环装置的结构图。
具体实施方式
为了使图12示出的制冷循环装置100的性能在例如制冷用途上得到充分地发挥，需要生成温度比外部气温足够高的制冷剂液体。在冷凝器120中生成的制冷剂液体的温度取决于供给到冷凝器120的制冷剂蒸气的压力。具体而言，要向冷凝器120供给的制冷剂蒸气的压力需要比高温的制冷剂液体的饱和压力高。在制冷循环装置100中，冷凝器120只不过是单纯的冷凝器，而不具有提高制冷剂的压力的功能。因此，为了生成高温的制冷剂液体，在冷凝器120的前段需要能够生成高压的制冷剂蒸气的蒸气源。若制冷剂蒸气的压力低，则不能生成高温的制冷剂液体，制冷循环装置100能够运转的条件受到限制。
本发明人等为了扩大制冷循环装置(热泵装置)的运转范围，谋求进一步的性能的改善，探讨了用于由低压的制冷剂蒸气生成高温的制冷剂液体的技术。其结果是，想到了本说明书中公开的技术。
本发明的第一方案提供一种热交换装置，具备：
第一热交换器，其供制冷剂液体流动；
喷射器，其使用从外部供给的制冷剂蒸气和从所述第一热交换器流出的所述制冷剂液体来生成制冷剂混合物；
第一提取器，其从所述喷射器接收所述制冷剂混合物，且从所述制冷剂混合物中提取所述制冷剂液体；
液体路径，其从所述第一提取器经由所述第一热交换器而到达所述喷射器；以及
第一泵，其设于所述液体路径，且将所述制冷剂液体从所述第一提取器向所述喷射器压力输送。
根据本方案，向喷射器供给从第一热交换器流出的制冷剂液体。该制冷剂液体是在第一热交换器中被冷却后的制冷剂液体。还从外部向喷射器供给制冷剂蒸气。喷射器的内部的压力根据所供给的制冷剂液体的温度而降低至比制冷剂蒸气的压力低的压力。因此，制冷剂蒸气一边膨胀以及加 速一边被连续地吸入喷射器的蒸气喷嘴。并且，制冷剂蒸气由于以下原因而冷凝：(a)制冷剂蒸气与制冷剂液体之间的温度差；(b)制冷剂蒸气与制冷剂液体之间的能量的输送以及制冷剂蒸气与制冷剂液体之间的动量的输送所引起的压力上升。即，喷射器使用制冷剂蒸气和制冷剂液体来生成制冷剂混合物。能够使喷射器作为冷凝器发挥功能。由喷射器生成的制冷剂混合物被送往第一提取器。
例如，在使用常温下的饱和蒸气压为负压的制冷剂的情况下，制冷剂蒸气的体积相对于制冷剂液体的体积变大至约10万倍。根据喷射器的工作状态的不同，有时制冷剂蒸气会进入到从第一提取器到第一热交换器的液体路径。在这样的条件的情况下，难以通过泵对制冷剂进行压力输送，从而难以使热交换装置的运转继续。
然而，在第一方案中，制冷剂混合物被送往第一提取器，在第一提取器中从制冷剂混合物提取制冷剂液体。提取出的制冷剂液体被送往第一热交换器。从而，能够由制冷剂液体充满从第一提取器经由第一热交换器而到达喷射器的液体路径之中，从而能够使用配置于液体路径的第一泵来从第一提取器向第一热交换器持续输送制冷剂液体。
由于以上的理由，能够由低压的制冷剂蒸气生成高温的制冷剂液体，进而热交换装置的运转范围也得以扩大。
在第一方案的基础上，本发明的第二方案提供一种热交换装置，其中，所述第一泵在所述第一提取器与所述第一热交换器之间设于所述液体路径上。
在第二方案的基础上，本发明的第三方案提供一种热交换装置，其中，还具备第二泵，该第二泵在所述第一热交换器与所述喷射器之间设于所述液体路径上，且将从所述第一热交换器流出的所述制冷剂液体向所述喷射器压力输送。根据本方案，能够抑制要送往第一热交换器的制冷剂液体的压力。因此，能够抑制第一热交换器的耐压强度。
在第三方案的基础上，本发明的第四方案提供一种热交换装置，其中，所述第二泵的泵压头设定为比所述第一泵的泵压头高。根据本方案，第一泵的负荷得到减轻。
在第三或第四方案的基础上，本发明的第五方案提供一种热交换装 置，其中，还具备第二提取器，该第二提取器在所述第一热交换器与所述第二泵之间设于所述液体路径上，并且该第二提取器从自所述第一热交换器流出的所述制冷剂中提取所述制冷剂液体，以向所述第二泵选择性地供给所述制冷剂液体。根据本方案，即便制冷剂在第一热交换器中变化为气液二相状态，第二泵也能够仅吸入制冷剂液体，从而能够向喷射器稳定地供给制冷剂液体。
在第五方案的基础上，本发明的第六方案提供一种热交换装置，其中，所述第二提取器是对所述制冷剂液体与所述制冷剂蒸气进行分离的气液分离器。
在第一方案的基础上，本发明的第七方案提供一种热交换装置，其中，所述第一泵在所述第一热交换器与所述喷射器之间设于所述液体路径上。在第七方案的热交换装置中，通过在第一热交换器中对要由第一泵吸入的制冷剂液体进行冷却，由此第一泵的有效净正吸入压头(NPSHa)增加。从而，能够使施加于第一泵的位置水头(potential head)减少与由于制冷剂液体的冷却而增加的有效净正吸入压头相当的量，进而能够使热交换装置小型化。对使用常温下的饱和蒸气压为负压的制冷剂的热交换装置而言，这种情况尤其优选。
在第一至第七方案中的任一方案的基础上，本发明的第八方案提供一种热交换装置，其中，所述第一提取器是对所述制冷剂液体与所述制冷剂蒸气进行分离的气液分离器。
需要说明的是，第一提取器以及第二提取器没有必要一定是对制冷剂液体与制冷剂蒸气进行分离的装置。第一提取器以及第二提取器也可以是不产生制冷剂蒸气而能够提取制冷剂液体的装置。
在第一至第八方案中的任一方案的基础上，本发明的第九方案提供一种热交换装置，其中，所述喷射器具有：第一喷嘴，所述制冷剂液体向该第一喷嘴供给；第二喷嘴，所述制冷剂蒸气由该第二喷嘴吸入；混合部，其对来自所述第一喷嘴的所述制冷剂液体与来自所述第二喷嘴的所述制冷剂蒸气进行混合而生成所述制冷剂混合物；以及扩散部，其通过对所述制冷剂混合物进行减速来使静压恢复。在具有这样的结构的喷射器中，制冷剂的温度以及压力得以上升。
在第一至第九方案中的任一方案的基础上，本发明的第十方案提供一种热交换装置，其中，从所述喷射器喷出的所述制冷剂混合物的压力比由所述喷射器吸入的所述制冷剂蒸气的压力高，且比向所述喷射器供给的所述制冷剂液体的压力低。根据本方案，能够有效地提高制冷剂的压力。
在第一至第十方案中的任一方案的基础上，本发明的第十一方案提供一种热交换装置，其中，所述制冷剂包含水。
本发明的第十二方案提供一种热泵装置，具备：
压缩机，其对制冷剂蒸气进行压缩；
第一热交换器，其供制冷剂液体流动；
喷射器，其使用由所述压缩机压缩后的所述制冷剂蒸气和从所述第一热交换器流出的所述制冷剂液体来生成制冷剂混合物；
第一提取器，其从所述喷射器接收所述制冷剂混合物，且从所述制冷剂混合物中提取所述制冷剂液体；
液体路径，其从所述第一提取器经由所述第一热交换器而到达所述喷射器；
第一泵，其设于所述液体路径，且将所述制冷剂液体从所述第一提取器向所述喷射器压力输送；
蒸发器，其存积所述制冷剂液体，且通过使所述制冷剂液体蒸发来生成要由所述压缩机压缩的所述制冷剂蒸气；
第二热交换器，其供在所述蒸发器中存积的所述制冷剂液体或者用于对在所述蒸发器中存积的所述制冷剂液体进行加热的热介质流动；
循环路，其使所述制冷剂液体或所述热介质经由所述第二热交换器而进行循环；以及
其他泵，其设于所述循环路上，且将所述制冷剂液体从所述蒸发器向所述第二热交换器压力输送。
为了使使用常温下的饱和蒸气压为负压的制冷剂的热泵装置的性能得到充分地发挥，需要生成温度比外部气温足够高的制冷剂液体。在图12示出的制冷循环装置100中，通过压缩机131以及压缩机132，使得要向冷凝器120供给的制冷剂蒸气的压力上升至比高温的制冷剂液体的饱和压力高的压力。然而，在像制冷循环装置100那样使用压缩机131以及 压缩机132(详细而言，离心式压缩机131以及容积式压缩机132)的情况下，制冷循环装置100整体趋向于大型化。尤其在使用常温下的饱和蒸气压为负压的制冷剂的情况下，制冷剂的体积流量非常大，因而离心式压缩器131以及容积式压缩机132在制冷循环装置100中所占空间的比例容易变大。
根据本方案，利用向喷射器供给的制冷剂液体作为驱动流，使喷射器吸入来自压缩机的制冷剂蒸气。喷射器使用制冷剂液体和制冷剂蒸气来生成制冷剂混合物。由于应该由压缩机承担的做功得到减轻，因而能够在大幅削减压缩机的压力比的同时，实现与以往相比同等或其以上的热泵装置的效率。另外，也能够使热泵装置小型化。
在第十二方案的基础上，本发明的第十三方案提供一种热泵装置，其中，所述第一泵在所述第一提取器与所述第一热交换器之间设于所述液体路径上。
在第十三方案的基础上，本发明的第十四方案提供一种热泵装置，其中，还具备第二泵，该第二泵在所述第一热交换器与所述喷射器之间设于所述液体路径上，且将从所述第一热交换器流出的所述制冷剂液体向所述喷射器压力输送。根据本方案，能够抑制要送往第一热交换器的制冷剂液体的压力。因此，能够抑制第一热交换器的耐压强度。
在第十四方案的基础上，本发明的第十五方案提供一种热泵装置，其中，所述第一泵的出口压力比所述第二泵的出口压力小。根据本方案，能够抑制要送往第一热交换器的制冷剂液体的压力。因此，能够抑制第一热交换器的耐压强度。
在第十四或第十五方案的基础上，本发明的第十六方案提供一种热泵装置，其中，还具备第二提取器，该第二提取器在所述第一热交换器与所述第二泵之间设于所述液体路径上，并且该第二提取器从自所述第一热交换器流出的所述制冷剂中提取所述制冷剂液体，以向所述第二泵选择性地供给所述制冷剂液体。根据本方案，即便制冷剂在第一热交换器中变化为气液二相状态，第二泵也能够仅吸入制冷剂液体，从而能够向喷射器稳定地供给制冷剂液体。
在第十二方案的基础上，本发明的第十七方案提供一种热泵装置，其 中，所述第一泵在所述第一热交换器与所述喷射器之间设于所述液体路径上。根据本方案，能得到与第七方案相同的效果。
在第十二至第十七方案中的任一方案的基础上，本发明的第十八方案提供一种热泵装置，其中，所述喷射器具有：第一喷嘴，所述制冷剂液体向该第一喷嘴供给；第二喷嘴，所述制冷剂蒸气由该第二喷嘴吸入；混合部，其对来自所述第一喷嘴的所述制冷剂液体与来自所述第二喷嘴的所述制冷剂蒸气进行混合而生成所述制冷剂混合物；以及扩散部，其通过对所述制冷剂混合物进行减速来使静压恢复。在具有这样的结构的喷射器中，制冷剂的温度以及压力得以上升。
在第十二至第十八方案中的任一方案的基础上，本发明的第十九方案提供一种热泵装置，其中，从所述喷射器喷出的所述制冷剂混合物的压力比由所述喷射器吸入的所述制冷剂蒸气的压力高，且比向所述喷射器供给的所述制冷剂液体的压力低。根据本方案，能够利用供给到喷射器中的制冷剂液体作为驱动流。其结果是，能够通过简易的结构使喷射器作为冷凝器发挥功能。能够在大幅削减压缩机的压力比的同时，实现与以往相比同等或在其以上的热泵装置的效率。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，本发明不限于以下的实施方式。
如图1所示，本实施方式的热泵装置200(制冷循环装置)具备第一热交换单元10、第二热交换单元20、压缩机31以及蒸气路径32。第一热交换单元10以及第二热交换单元20分别形成散热侧回路以及吸热侧回路。在第二热交换单元20处生成的制冷剂蒸气经由压缩机31以及蒸气路径32而向第一热交换单元10供给。
在热泵装置200中填充有常温下的饱和蒸气压为负压(在绝对压力下比大气压低的压力)的制冷剂。作为这样的制冷剂，可以列举含有水、醇或醚作为主成分的制冷剂。在热泵装置200的运转时，热泵装置200的内部的压力比大气压低。压缩机31的入口的压力例如处于0.5～5kPaA的范围。压缩机31的出口的压力例如处于5～15kPaA的范围。基于防止冻结等理由，作为制冷剂，也可以使用含有水作为主成分，且混合有按质量％换算为10％～40％的乙二醇、Naiburain(商品名)、无机盐类等的制冷剂。 “主成分”是指按质量比计含有最多的成分。
第一热交换单元10具备喷射器11、第一提取器12、第一泵13以及第一热交换器14。喷射器11、第一提取器12、第一泵13以及第一热交换器14通过配管15a～15d按顺序连接为环状。
如图2所示，喷射器11具有第一喷嘴40、第二喷嘴41、混合部42以及扩散部43。第一喷嘴40通过配管15d与第一热交换器14连接。通过配管15d，从第一热交换器14流出的制冷剂液体作为驱动流向第一喷嘴40供给。在第二喷嘴41上连接蒸气路径32。从第一喷嘴40喷射的制冷剂液体的温度由于第一热交换器14而降低。因此，通过来自第一喷嘴40的制冷剂液体的喷射，而使混合部42的压力变得比蒸气路径32的压力低。其结果是，通过蒸气路径32而将具有大气压以下的压力的制冷剂蒸气连续地吸入第二喷嘴41。从第一喷嘴40一边加速一边喷射的制冷剂液体和从第二喷嘴41一边膨胀以及加速一边喷射的制冷剂蒸气在混合部42中混合。然后，在因制冷剂液体与制冷剂蒸气之间的温度差所引起的第一冷凝、和因基于制冷剂液体与制冷剂蒸气之间的能量的输送以及制冷剂液体与制冷剂蒸气之间的动量的输送带来的升压效果所引起的第二冷凝的作用下，生成干度(quality；dryness)小的制冷剂混合物。在该制冷剂混合物的干度不为零的情况下，由于制冷剂混合物的流速超出二相流的音速而产生急剧的压力上升，从而进一步促进冷凝。生成的制冷剂混合物是液相状态或干度非常小的气液二相状态的制冷剂。然后，扩散部43通过使制冷剂混合物减速来使静压恢复。在这样的结构的喷射器11中，制冷剂的温度以及压力上升。
另外，喷射器11具备针型阀44以及伺服促动器45。针型阀44以及伺服促动器45是用于调整作为驱动流的制冷剂液体的流量的流量调整器。通过针型阀44，能够变更第一喷嘴40的前端的孔口(orifice)的截面积。通过伺服促动器45来对针型阀44的位置进行调节。由此，能够调整在第一喷嘴40中流动的制冷剂液体的流量。
第一提取器12从喷射器11接收制冷剂混合物，且从制冷剂混合物中提取制冷剂液体。即，第一提取器12承担着作为对制冷剂液体与制冷剂蒸气进行分离的气液分离器的作用。从第一提取器12基本上仅取出制冷 剂液体。第一提取器12例如由具有隔热性的耐压容器形成。由此，能够防止喷射器11的出口侧的温度以及压力下降，因而制冷剂混合物容易在喷射器11中升温以及升压。第一提取器12优选构成为分别维持在喷射器11中升温以及升压后的制冷剂混合物的温度以及压力。第一提取器12的结构没有特别限定。配管15b～15d形成从第一提取器12经由第一热交换器14而到达喷射器11的液体路径15。第一泵13在第一提取器12的液体出口与第一热交换器14的入口之间设于液体路径15上。在第一提取器12中存积的制冷剂液体通过第一泵13而向第一热交换器14压力输送。第一泵13的喷出压力低于大气压。第一泵13配置在从该第一泵13的吸入口到第一提取器12中的制冷剂液体的液面为止的高度大于必需净正吸入压头(required NPSH)的位置。
第一热交换器14由翅片管式热交换器、壳管式热交换器等公知的热交换器形成。在热泵装置200为进行室内的制冷的空气调节装置的情况下，第一热交换器14配置于室外，利用制冷剂液体对室外的空气进行加热。
第二热交换单元20具有蒸发器21、泵22(第三泵)以及第二热交换器23。蒸发器21存积制冷剂液体，通过使制冷剂液体蒸发来生成要由压缩机31压缩的制冷剂蒸气。蒸发器21、泵22以及第二热交换器23通过配管24a～24c连接为环状。蒸发器21例如由具有隔热性的耐压容器形成。配管24a～24c形成使存积在蒸发器21中的制冷剂液体经由第二热交换器23而进行循环的循环路24。泵22在蒸发器21的液体出口与第二热交换器23的入口之间设于循环路24上。在蒸发器21中存积的制冷剂液体通过泵22而向第二热交换器23压力输送。泵22的喷出压力低于大气压。泵22配置在从该泵22的吸入口到蒸发器21中的制冷剂液体的液面为止的高度大于必需净正吸入压头(required NPSH)的位置。
第二热交换器23由翅片管式热交换器、壳管式热交换器等公知的热交换器形成。在热泵装置200为进行室内的制冷的空气调节装置的情况下，第二热交换器23配置于室内，利用制冷剂液体对室内的空气进行冷却。
在本实施方式中，蒸发器21是使通过在循环路24中循环而被加热了 的制冷剂液体在内部直接蒸发的热交换器。在蒸发器21中存积的制冷剂液体与在循环路24中循环的制冷剂液体直接接触。即，蒸发器21中的制冷剂液体的一部分由第二热交换器23加热，而被用作对饱和状态的制冷剂液体进行加热的热源。配管24a的上游端优选与蒸发器21的下部连接。配管24c的下游端优选与蒸发器21的中间部连接。需要说明的是，第二热交换单元20也可以构成为使存积在蒸发器21中的制冷剂液体不与在循环路24中循环的其他制冷剂液体混合。例如，在蒸发器21具有如壳管式热交换器那样的热交换结构的情况下，能够利用在循环路24中循环的热介质对在蒸发器21中存积的制冷剂液体进行加热而使之蒸发。用于对在蒸发器21中存积的制冷剂液体进行加热的热介质在第二热交换器23中流动。
蒸气路径32具有上游部分32a以及下游部分32b。在蒸气路径32上配置有压缩机31。蒸发器21的上部通过蒸气路径32的上游部分32a与压缩机31的吸入口连接。压缩机31的喷出口通过蒸气路径32的下游部分32b与喷射器11的第二喷嘴41连接。压缩机31是离心式压缩机或容积式压缩机。在蒸气路径32上也可以设有多个压缩机。压缩机31通过上游部分32a而从第二热交换单元20的蒸发器21吸入制冷剂蒸气并对其进行压缩。压缩后的制冷剂蒸气通过下游部分32b而向喷射器11供给。
根据本实施方式，在喷射器11中制冷剂的温度以及压力得以上升。由于应该由压缩机31承担的做功得到减轻，因而能够在大幅削减压缩机31中的压力比的同时，实现与以往相比同等或这以上的热泵装置200的效率。另外，也能够使热泵装置200小型化。
热泵装置200不限于制冷专用的空气调节装置。也可以设置四通阀、三通阀等流路切换部，使得第一热交换器14作为吸热用热交换器发挥功能，且第二热交换器23作为散热用热交换器发挥功能。这样一来，可以得到能够切换制冷运转与供暖运转的空气调节装置。另外，热泵装置200不限于空气调节装置，也可以是冷机、蓄热装置等其他装置。第一热交换器14的加热对象以及第二热交换器23的冷却对象也可以是空气以外的气体或液体。
另外，也可以设置用于使制冷剂从第一热交换单元10向第二热交换 单元20返回的返回路径33。在返回路径33上设有毛细管、膨胀阀等膨胀机构34。在本实施方式中，通过返回路径33连接第一提取器12与蒸发器21，使得能够将在第一提取器12中存积的制冷剂向蒸发器21传送。典型地，第一提取器12的下部与蒸发器21的下部通过返回路径33来连接。制冷剂液体一边在膨胀机构34中被减压，一边通过返回路径33从第一提取器12向蒸发器21返回。
需要说明的是，返回路径33可以从第一热交换单元10的任何位置分支。例如，返回路径33可以从对喷射器11与第一提取器12进行连接的配管15a分支，也可以从第一提取器12的上部分支。并且，使制冷剂从第一热交换单元10向第二热交换单元20返回并不是必须的。例如，第一热交换单元10也可以构成为能够适当排出多余的制冷剂，第二热交换单元20也可以构成为能够适当补充制冷剂。
接下来，对热泵装置200的运转进行说明。
图3A是不具有喷射器的现有的制冷循环装置100(参照图12)中的莫里尔图。在蒸发器110中存积的制冷剂液体在蒸发器110的内部蒸发而变化为制冷剂蒸气(点a→点b)。制冷剂蒸气在压缩机131以及压缩机132中被压缩(点b→点c)。为了简化，忽略在压缩机131与压缩机132之间设置的中间冷却器。被压缩后的制冷剂蒸气在冷凝器120中被冷却而冷凝(点c→点d)。在冷凝器120中存积的制冷剂液体通过泵而向热交换器压力输送(点d→点e)。制冷剂液体在热交换器中被冷却(点e→点f)。被冷却后的制冷剂液体返回冷凝器120(点f→点d)。制冷剂液体的一部分通过第二连通路140而向蒸发器110返回(点d→点a)。
图3B是本实施方式的热泵装置200中的莫里尔图。虚线表示在图3A中说明的循环的一部分。在蒸发器21中存积的制冷剂液体在蒸发器21的内部蒸发而变化为制冷剂蒸气(点A→点B)。制冷剂蒸气在压缩机31中被压缩(点B→点C)。被压缩后的制冷剂蒸气由喷射器11吸入，与从第一热交换器14流出的制冷剂液体混合(点C→点D)。制冷剂蒸气与制冷剂液体的制冷剂混合物在喷射器11中被升温以及升压(点D→点E)。详细而言，制冷剂蒸气在喷射器11中一边放出热量一边冷凝。从而，制冷剂混合物的温度也上升。制冷剂混合物是液相状态或气液二相状态的制 冷剂。喷射器11的出口的制冷剂的状态根据热泵装置200的运转条件而变化。理想情况是制冷剂在喷射器11的出口处完全地为液相状态，换言之，理想情况是制冷剂的干度为零。制冷剂混合物从喷射器11被送往第一提取器12，且分离为制冷剂液体与制冷剂蒸气。在第一提取器12中存积的制冷剂液体通过第一泵13而向第一热交换器14压力输送(点E→点F)。制冷剂液体在第一热交换器14中被冷却(点F→点G)。第一热交换器14将由第一泵13升压后的制冷剂液体冷却至过冷区域。被冷却后的制冷剂液体作为驱动流向喷射器11供给(点G→点D)。制冷剂液体的一部分也可以从第一提取器12或配管15a向蒸发器21返回(点E→点A)。
另外，由点D、点E以及点G可以理解，从喷射器11喷出的制冷剂混合物的压力比被喷射器11吸入的制冷剂蒸气的压力高，且比向喷射器11供给的制冷剂液体的压力低。换言之，喷射器11的出口处的压力比喷射器11的向第二喷嘴41的入口处的压力高，且比喷射器11的向第一喷嘴40的入口处的压力低。通过这样的压力关系，能够有效地提高制冷剂的压力。根据本实施方式，能够使喷射器11作为冷凝器发挥功能。
喷射器11的出口处的压力例如处于6～1000kPaA的范围。喷射器11的向第二喷嘴41的入口处的压力例如处于5～15kPaA的范围。喷射器11的向第一喷嘴40的入口处的压力例如处于300～1500kPaA的范围。
对图3A与图3B进行比较可以了解，在图3B的循环中压缩机31应承担的做功比在图3A的循环中压缩机131以及压缩机132应承担的做功小。即，根据本实施方式，能够减少压缩机31中的压力比。例如，在使用水作为制冷剂的情况下，通过向喷射器11供给具有几百kPa～几MPa的范围的压力的制冷剂液体作为驱动流，从而能够将压缩机31中的压力比减少约30％。
在图3B的循环中，第一热交换器14处的散热量看似增加。然而，由于制冷剂液体的循环量减少，因而在图3A的循环与图3B的循环之间散热量没有大的差别。另外，在图3B的循环中，虽然第一泵13的做功增加，然而考虑到压缩机31的做功的减少，则热泵装置200的效率(COP：coefficient of performance)等同于现有的制冷循环装置100的效率或者超过现有的制冷循环装置100的效率。
另外，根据本实施方式的热泵装置200，能够容易地生成更高温的制冷剂液体。即，能够从气候比较温暖的地区到沙漠地区、热带地区等外部气温非常高的地区在广泛的地区内将热泵装置200用于制冷用途。另外，在将热泵装置200用于供暖用途的情况下，也能得到如下效果。即，为了防止在压缩机31的电动机中使用的永久磁体的消磁，压缩机31的喷出制冷剂的温度可能会受到制限。然而，根据本实施方式，通过喷射器11能够生成更高温的制冷剂液体，因而能够一边抑制压缩机31的喷出制冷剂的温度一边进行高温供暖。另外，不仅是供暖用途，在将热泵装置200用于供应热水用途的情况下，也能够应对更高温的热水供应。
需要说明的是，在蒸发器21中存积的制冷剂液体通过泵22向第二热交换器23压力输送，在第二热交换器23处从室内空气等热介质吸热后，返回蒸发器21。蒸发器21的制冷剂液体通过减压下的沸腾而蒸发，且蒸发后的制冷剂蒸气被吸入压缩机31。
在本实施方式的热泵装置200中，使用常温下的饱和蒸气压为负压的制冷剂。若列举含有水作为主成分的制冷剂为例，则制冷剂蒸气的体积大至制冷剂液体的体积的约10万倍。因此，若制冷剂蒸气进入液体路径15，则需要非常大的泵动力。
根据本实施方式，在喷射器11中生成的制冷剂混合物被送往第一提取器12，且在第一提取器12中从制冷剂混合物提取出制冷剂液体。在第一提取器12的液体出口与第一热交换器14的入口之间，在液体路径15上设有第一泵13。在第一提取器12中提取出的制冷剂液体通过第一泵13而被送往第一热交换器14。根据这样的结构，由制冷剂液体充满从第一提取器12经由第一热交换器14而到达喷射器11的液体路径15之中，从而能够通过第一泵13将制冷剂液体向第一热交换器14以及喷射器11持续地压力输送。换言之，能够防止制冷剂蒸气进入液体路径15。
(变形例1)
如图4所示，变形例1的热泵装置201具有与参照图1说明了的热泵装置200的第一热交换单元10不同结构的第一热交换单元10B。具体而言，热泵装置201还具备第二泵16。热泵装置201的其他结构与参照图1说明了的热泵装置200相同。
第二泵16在第一热交换器14的出口与喷射器11之间设于液体路径15上。从第一热交换器14流出的制冷剂液体通过第二泵16向喷射器11压力输送。在本变形例中，液体路径15通过配管15b～15e形成。通过第二泵16的工作，而使第一泵13的负荷减轻。
在热泵装置201中，第一泵13的出口压力比第二泵16的出口压力小。另外，第二泵16的泵压头(pump head)设定为比第一泵13的泵压头高。换言之，第二泵16的入口压力与出口压力之差比第一泵13的入口压力与出口压力之差大。根据这样的压力关系，能够抑制要送往第一热交换器14的制冷剂液体的压力。因此，能够抑制第一热交换器14的耐压强度。另外，由于分多次提高制冷剂液体的压力，因而泵13以及泵16各自的升压幅度比较小。从而，能够避免泵13以及泵16的高速旋转以及大型化，进而能够将高效率的泵用作为泵13以及泵16。
(变形例2)
如图5所示，变形例2的热泵装置202具有与参照图1说明了的热泵装置200的第一热交换单元10不同结构的第一热交换单元10C。具体而言，热泵装置202还具备第二泵16以及第二提取器17。热泵装置202的其他结构与参照图1说明了的热泵装置200相同。
第二泵16与在变形例1中说明了的泵相同，且在第二提取器17的液体出口与喷射器11之间设于液体路径15上，以将在第二提取器17中存积的制冷剂液体向喷射器11压力输送。
第二提取器17在第一热交换器14的出口与第二泵16的入口之间设于液体路径15上。根据第二提取器17，能够从自第一热交换器14流出的制冷剂提取出制冷剂液体，以向第二泵16选择性地供给制冷剂液体。即，第二提取器17承担着作为对制冷剂液体与制冷剂蒸气进行分离的气液分离器的作用。从第二提取器17基本上仅取出制冷剂液体。第二提取器17例如由具有隔热性的耐压容器形成。但是，只要能够提取出制冷剂液体，则第二提取器17的结构没有特别限定。在本变形例中，液体路径15由配管15b～15f形成。根据这样的结构，即便从第一热交换器14流出的制冷剂为气液二相状态，第二泵16也能够仅吸入制冷剂液体，从而向喷射器11稳定地供给制冷剂液体。即，根据本变形例，能够使热泵装置 202更稳定地运转。
另外，若除了第一提取器12以外还设置第二提取器17，则还能够得到如下的效果。在热泵装置202的运转停止时，制冷剂由于重力而在热泵装置202的大致下半部的部分存积。在此，基于排气的必要性的理由，第一热交换器14在铅垂方向的上部具有出口。因而，在热泵装置202起动时，从第一热交换器14排出气体(制冷剂蒸气)。若该气体被第二泵16吸入，则第二泵16可能变得难以对制冷剂进行压力输送。然而，若设置第二提取器17，则第二提取器17作为气液分离器而发挥功能，在热泵装置202起动时也选择性地将制冷剂液体向第二泵16供给，因而第二泵16能够正常地起动，进而热泵装置202能够稳定地起动。
(变形例3)
如图6所示，变形例3的热泵装置203具有与参照图1说明了的热泵装置200的第一热交换单元10不同结构的第一热交换单元10D。具体而言，在热泵装置203中，第一泵13在第一热交换器14的出口与喷射器11的入口之间设于液体路径15上。喷射器11的第一喷嘴40与第一泵13通过配管15d连接。热泵装置203的其他结构与参照图1说明了的热泵装置200相同。
在第一泵13的作用下，存积在第一提取器12中的制冷剂液体经由第一热交换器14被向喷射器11压力输送。第一泵13的喷出压力比大气压低。第一泵13的位置配置为：使得从该第一泵13的吸入口到第一提取器12中的制冷剂液体的液面为止的高度以及考虑了第一热交换器14中的制冷剂液体的温度降低的有效净正吸入压头大于必需净正吸入压头(required NPSH)。通过在第一热交换器14中对要由第一泵13吸入的制冷剂液体进行冷却，由此第一泵13的有效净正吸入压头增加。从而，能够降低施加于第一泵13的位置水头。在此情况下，能够使第一热交换单元10小型化。
第一泵13例如在重力方向上位于比第一提取器12的底面靠下方的位置。若在这样的位置配置第一泵13，则在热泵装置200停止后进行再起动时能够防止第一泵13吸入气体。
图7是本变形例的热泵装置203中的莫里尔图。点A～点E为止的过 程如参照图3B所说明的那样。在第一提取器12中存积的制冷剂液体被送往第一热交换器14，且在第一热交换器14中被冷却至过冷区域(点E→点F)。被冷却后的制冷剂液体由第一泵13升压(点F→点G)。被升压后的制冷剂液体作为驱动流向喷射器11供给(点G→点D)。
根据本变形例，在喷射器11中生成的制冷剂混合物被送往第一提取器12，在第一提取器12中从制冷剂混合物提取出制冷剂液体并送往第一热交换器14。在第一热交换器14的出口与喷射器11的入口之间，在液体路径15上设有第一泵13。在第一提取器12中被提取出的制冷剂液体由第一热交换器14冷却且被第一泵13吸入。根据这样的结构，由制冷剂液体充满自第一提取器12经由第一热交换器14而到达喷射器11的液体路径15之中，能够通过第一泵13将制冷剂液体向喷射器11持续地压力输送。换言之，能够防止制冷剂蒸气进入液体路径15。
需要说明的是，在变形例2的热泵装置202中也可以采用本变形例的结构。即，在变形例2的热泵装置202中，第一热交换器14也可以位于第一提取器12与第一泵13之间。
(变形例4～7)
如图8、图9、图10以及图11所示，热交换装置300、301、302以及303分别与参照图1、图4、图5以及图6说明了的热泵装置200、201、202以及203的第一热交换单元10、10B、10C以及10D对应。即，即便从热泵装置200、201、202以及203中省略压缩机31以及第二热交换单元20，第一热交换单元10、10B、10C以及10D也分别能够作为热交换装置300、301、302以及303发挥功能。作为具体例，可以列举从取代压缩机31以及蒸发器21的蒸气供给源向喷射器11供给制冷剂蒸气的情况。由于在喷射器11中制冷剂的温度上升，因而在第一热交换器14中能够发挥优异的供暖效果。蒸气供给源不受特别限制。例如，可以通过锅炉生成制冷剂蒸气。另外，也可以使用太阳热或工厂的废热作为热源，且通过热交换器来生成制冷剂蒸气。
工业实用性
本说明书中公开的热交换装置以及热泵装置尤其适用于家庭用空调、商用空调等空气调节装置。