JP6106633B2 - 凝縮器、ヒートポンプおよび作動蒸気の凝縮方法 - Google Patents

Description

本発明は、凝縮器、ヒートポンプおよび作動蒸気の凝縮方法に関する。

液体層は、典型的な層化のため、ヒートポンプの蒸発器の中に発生し、実行される。典型的な層化は、液体、特に、作動液体としての水で観測される。蒸発器内の熱分布は、液体層の下部が、実際に、熱源から供給される作動液体と同じ温度を有する一方、液体層の上部が冷やされることを意味する。

ヒートポンプの凝縮器についても、状況は同様である。ここで、水が作動液体として使用されるとき、作動液体の、圧縮され加熱された蒸気（例えば、水蒸気）は、「冷たい」液体層に触れる。これは、蒸気に直接に接触していない凝縮器内の液体層の下部は、加熱されない一方で、凝縮器内の液体層の表面（上部）だけは加熱されることを導く。

その他に、ヒートポンプの蒸発器で、圧縮され加熱された蒸気が、オーバーヒートするかもしれないという問題も存在する。それは、蒸気が加熱されるべき液体に触れるという事実にもかかわらず、蒸気から液体への熱伝導が制限される、ということを意味する。

これらの問題のすべてが、蒸発または凝縮のとき、効率が低下するという事実に導く。例えば、ヒートポンプが、十分なパワーを発生させるためには、蒸発器の断面積や凝縮器の断面積を、非常に大きくしなければならない。

それゆえに、本発明の主たる目的は、効率の良い表面凝縮ができる凝縮器、ヒートポンプおよび作動蒸気の凝縮方法を提供することである。

本発明の目的は、請求項１に記載の凝縮器、請求項１４に記載のヒートポンプ、および請求項１５に記載の凝縮方法により達成される。

本発明は、蒸発過程が、蒸発させられるべき作動液体が流れるべき蒸発器表面上に、乱流発生器または渦発生器を使用することによって、大きく高められる、という発見に基づいている。乱流発生器は、層流化が蒸発器表面上の作動液体に発生しないことを保証する。代わりに、蒸発器表面上の作動液体の表面（上部層）を形成している冷えた液層が、乱流発生器によってばらばらにされて、作動液体の下部層に持って来られる。同時に、作動液体の暖かい下部層が、上部層に持って来られる。その結果、蒸発器内圧力が大気圧未満、好ましくは５０ミリバール未満であることを考慮しながら、蒸発が起こる温度を有する蒸発器表面に、作動液体が常に存在することが保証される。好ましくは、圧力は、乱流発生器によって上部層に持って来られる下部層の作動液体が、沸騰温度であるように選択される。周知のように、沸騰温度は減圧で低くなる。

本発明では、凝縮器において、凝縮器表面上に乱流発生器を設けることによって、凝縮効率が増加する。これらの乱流発生器は、凝縮器表面上の作動液体の層流化を、阻止したり、絶えず乱したりする。したがって、作動液体のうち、凝結過程から熱を吸収した暖かい上部層は、作動液体の下部層に持って来られる。同時に、凝縮器の中の冷えた作動液体（下部層の作動液体）は、凝縮蒸気によって加熱されるように、作動液体の上部層に持って来られる。また、本発明では、凝縮器に、層流化手段（層流を作るための手段）が設けられる。層流化手段は、作動液体に向けられた蒸気流を、層流にするように構成される。したがって、層流化手段の中の蒸気流の有利な温度分布が達成される。その結果、高い凝縮器効率が達成される。それは、蒸気が凝縮器スペースに入るときの温度に関わらず、実際に生じる。これは特に圧縮機を有するヒートポンプに利点がある。通常、蒸気オーバーヒート（過加熱）が存在するので、層流器（層流化手段）を使用しないと、凝縮器効率が大幅に減少する。蒸気冷却器が従来技術で使用される理由である。そのようなすべての器具が、層流器のおかげで、もはや必要ない。層流器は、最適な効率に導く温度プロフィールを自動的に作る。また、本発明では、乱流発生器および層流器の両方が凝縮器で使用される。それは、凝縮器の効率の更なる増加に導く。

さらに、本発明は、蒸発器が、蒸発器表面上の作動液体流が、好ましくは、全作動液体流の少なくとも２０％の乱流を含むような乱流発生器を設けた蒸発器表面を有する。

さらに、本発明は凝縮器スペースの中の凝縮器に関する。凝縮器スペースは、作る層流化手段を含む。層流器は、気体流が層流器に入れられたのと少なくとも半分同じくらい乱流であるアウトプット側における気体流を発生させるように構成されて、凝縮器があって、電流が凝縮器で薄板から成る液体表面に向けた気体が乱流発生器に提供する。その結果、凝縮器表面上の水流は、望ましくは、総水流の少なくとも２０％の乱流を含む。

本発明は、最も簡単な器具を使用して、蒸発器効率および凝縮器効率の大きな増加を達成する。この増加は、より高いパワーを有する蒸発器または凝縮器を製造するために使用される。あるいは、この大きな効率増加を使用して、蒸発器および凝縮器を、所定の性能を達成しながら、より小さく、より小型にを組み立てることが好ましい。これは、特に、スペースが特に制限されるビル（特に、居住用ビル）のような、小型および中型ビルを暖房するためのヒートポンプの応用にとって、大きな利点である。さらに、材料の量の減少によるサイズの減少、および、製造中のより簡単な管理性が、大きなコスト抑制に導く。それは、大規模に製造され、個々の顧客に対して、合理的な価格にしなければならないヒートポンプの使用にとって特別に重要である。同時に、乱流発生器および層流器は、最も簡単な手段で構成され、電子要素／電気要素の使用が避けられる。

以下に、本発明の好適な実施形態が添付図面を参照してより詳細に説明される。

簡単なワイヤーメッシュフェンス形式の乱流発生器を有する凝縮器表面または蒸発器表面の写真平面図である。 凝縮器の中の層流器を構成するためのハニカム構造を示す写真斜視図である。 凝縮器の中の乱流作動液体の写真平面図である。 蒸発器の模式図である。 凝縮器の模式図である。 気体除去装置（気体トラップ）を有した液化装置を示す概略図である。 図６ａは、気体除去装置（気体トラップ）の機能を説明するための説明図であり、図６ｂは、気体除去装置（気体トラップ）の詳細な説明図である。 蒸発器、および／または、凝縮器を有するヒートポンプのブロック図である。 好ましい蒸発器または凝縮器の平面図である。 好ましい蒸発器の縦断面図である。 別の蒸発器または凝縮器の平面図である。 蒸発器または凝縮器の断面摸式図である。 層流器の断面図である。 層流器の層流器セルの中の経路に沿った温度分布図である。

本発明によると、蒸発器、および／または、凝縮器には、渦発生手段が提供される。図４ａおよび図４ｂに示すように、この水渦発生手段は、多数のいわゆる渦発生器４０を備える。水流４１は、漏斗形蒸発器４２または漏斗形凝縮器４３の上の流体層となり、渦発生器４０を横切って通る。これは、絶えず乱流または渦流に晒されながら蒸発または凝縮されるべき水流４１に導く。したがって、水流（水膜）４１の下部層は、絶えず、水流４１の上部層と混合される。

図１に示すように、渦発生器４０のために、様々な材料、例えば、ワイヤーメッシュフェンスのような材料が使用される。このワイヤーメッシュフェンスは、水流４１の中に配置される。その結果、ワイヤーメッシュフェンスは水流４１の障害となり、絶えず、流れの分割、言わば「折り重なり」に導き、その結果、水流４１の中の渦発生に導く。

図１に示したワイヤーメッシュフェンスは、「金網」として知られているが、０．５ｍｍ〜３ｍｍ（望ましくは１ｍｍ）の直径を有する乱流セルを含む。これらの乱流セルの間の距離は、乱流セルまたは渦発生器４０の直径の約１〜１０倍である。

例えば、漏斗形蒸発器４２の上に配置されたピラミッドのような、別の渦発生器も使用されることに注目すべきである。別の渦発生器は、言わば、水流を「切り刻ん」だり、「折り畳ん」だりする。その結果、水流４１の下部領域（下部層）の水が、水流４１の上部層に持って来られる。そして、逆もまた同様である。こうして、図４ａに記載された蒸発器４２では、「暖かい」水は、絶えず、蒸発器表面に持って来られ、冷えた水（すなわち、既にエネルギーを放出した水）は、下側に混ぜ合わされることが、保証される。

ヒートポンプにおいて、これは大きなパワー増加に導く。仮に、１〜４ｋＷ／ｍ²の蒸発能力（すなわち、蒸発器面積当たりの蒸発能力）が渦発生器４０無しで達成されたならば、この蒸発能力は、大きく、すなわち、６０〜３００ｋＷ／ｍ²の範囲に増加する。既に簡単な渦発生器、例えば、図１に示した「メッシュワイヤ変形」で、通常、１００ｋＷ／ｍ²が達成される。渦発生器４０によって達成される混合は、漏斗形蒸発器４２上の層流化の破壊に導く。その類似で、漏斗形凝縮器４３上の層流化の破壊にも導く。

渦発生器４０が、蒸発器４２および凝縮器４３の両方に使用されることを注意したけれども、仮に、層流化手段である気体流層流器４８が使用されるならば、凝縮器パワーは渦発生器４０無しでも増加する。そのような気体流層流器４８は、例えば、図２に示したように、ハニカム形の材料によって達成される。直径が３ｍｍ、長さが８ｍｍのハニカムセルで、気体流の層流化が既に達成されることが判明している。それは、層流器４８を出る気体流４９が、層流であることに導く。この層流の凝縮器効率は、非層流の気体流が漏斗形凝縮器の水流４１に衝突する状況と比べて、大きく高い。この理由は、図４ｂに示されるように、圧縮機から凝縮器に供給される気体の過加熱効果が保有されるからである。

したがって、位置の関数としての温度勾配は、非層流の場合、作動液体表面で、非常に大きい。しかしながら、気体流の層流化によって、より小さい勾配が、液体表面で、直接に達成される。したがって、気体のエネルギー比率は、液体のエネルギー比率に良く合う。その結果、凝縮過程の効率は大きく増加する。

好ましくは、気体流層流器４８は、さらに高い凝縮器パワーを達成するために、渦発生器４０と共に使用される。しかしながら、凝縮器４３の渦発生器４０無しでも、あるいは、凝縮器４３の気体流層流器４８無しでも、効率は大きく増加する。

しかしながら、本発明によると、凝縮器４３では、液体層の中の渦発生器４０、および、気体流を層流にするための層流器４８の両方を使用することが好ましい。したがって、渦発生器４０および／または層流器４８を有さない凝縮器パワーより、最大１００倍高い凝縮器パワーが達成される。

既に言及したように、図１では、ワイヤーメッシュフェンスは、作動液体によって囲まれた渦発生器４０として示される。渦発生器４０は、作動液体の中に起きる乱流発生に導く。作動液体は、必ずしも水である必要はないが、好ましくは、水である。これは、流れ落ちている流体流における非常に均等の温度分布に導く。しかしながら、層流の場合、すなわち、乱流発生器の一例としてのワイヤーメッシュフェンス無しの場合、表面での冷却だけが行われる。

気体流を層流にするための図２に示したハニカム構造は、流体表面に対して、より平坦な温度勾配を達成することに役立つ。したがって、液体表面で凝縮するために適切なエネルギー量を有する分子を発見するという統計的に高い確率が生じる。しかしながら、仮に、従来のように、圧縮機（特に、過給圧縮機）から提供される乱流気体流が使用されるならば、非常に急な温度勾配が生じ、凝縮は強く妨げられる。

図３は、凝縮器パワーを増加するための凝縮器４３上の乱流水（乱流流体）を示す。

ヒートポンプの液化装置５１の中の気体トラップ５０の配置が、図５に示されている。特に、この配置は、必ずしも気体トラップ５０を構成するために使用される必要はないけれども、図５は、液化装置５１が蒸発器の上に配置されるヒートポンプを示す。水蒸気は、第１の気体経路５２を通って圧縮機５３に入り、圧縮機５３で圧縮され、第２の気体経路５４を通って放出される。放出された気体、すなわち、圧縮された熱い水蒸気は、好ましくは、発明の層流化手段（層流器）５５を通って凝縮器水に向けられる。層流器５５は、例えば、ハニカム形または別の態様で構成される。凝縮器水は、凝縮器水路５６を通り、平板形または漏斗形凝縮器排水路５７を通って、縁部に流出する。凝縮器排水路５７は、通常、回転対称であり、好ましくは、凝縮器効率を増加させるために発明の乱流発生器５８と共に提供されることに注目すべきである。

圧縮機用モータ５３によって蒸発器から吸い込まれた外部気体は、層流器５５を通った気体流によって、凝縮器水に向けられる。凝縮器水は、乱流発生器５８の中心部から来て、縁部に流出する。乱流発生器５８は、例えば、ワイヤーメッシュの形式で構成される。外部気体は、層流器５５と凝縮器水の表面との間を、凝縮器水によって縁部に運ばれることが判る。

外部気体を気体トラップ５０の近傍に蓄積するために、封止弁５９が提供される。封止弁５９は、下部気体領域６０を上部気体領域６１から分離する。封止弁５９は必ずしも完全な封止を提供する必要はない。しかしながら、凝縮器排水路５７の上の凝縮器水によって運ばれた外部気体は、凝縮器排水路５７の下の下部気体領域６０に蓄積されることが保証される。外部気体は水蒸気より重いので、外部気体は重力のために気体トラップ５０に落ちる。外部気体が、下部気体領域６０と気体トラップ５０との中において、同じ濃度を有することを欲する限り、拡散過程は重力に逆らって活動する。この拡散過程は、気体トラップ５０の重力効果に逆らって活動する。しかしながら、外部気体の蓄積は、凝縮が行われる領域の、しかし、凝縮器排水路５７の下の領域において、もはや、行われないので、これは、比較的、問題ない。封止弁５９によって、下部気体領域６０と上部気体領域６１との濃度が同じ値に設定される、ことが阻止される。したがって、下部気体領域６０の外部気体の濃度は、常に、上部気体領域６１の気体濃度より高くなる。外部気体のための良好なトラップ効果が気体トラップ５０内で起こる。

封止弁５９の効果は、層流器５５が存在するという事実によって増加する。封止弁５９は、凝縮器排水路（凝縮器漏斗）５７の上の領域を、凝縮器排水路５７の下の領域から分離する。言わば、外部気体は、外部気体が凝縮器排水路５７の上の凝縮器水流に触れて、すぐには、去らない。しかし、外部気体は、封止弁５９の方向に、封止弁５９の下を通り、気体トラップ５０の近傍に強制的に蓄積される。乱流が多く存在すればするほど、言わば、上部気体領域６１の中の外部気体を捕らえて運ぶために、より高い効率を有する。この性能は乱流発生器５８によって向上する。

図６ａは、図５のヒートポンプまたはヒートポンプ液化装置５１で示された機能の基本図を示す。図６ａにおいて、凝縮器排水路５７の下の下部気体領域６０が、封止弁５９によって、上部気体領域６１からどのように分離されるかが、特に強調される。図６ａにおいて明確なように、外部気体が下部気体領域６０へ行く確率（矢印６８参照）が、外部気体が再び上部気体領域６１に戻る確率と比較して高い限り、この分離は、密閉である必要はない。外部気体は、乱流水蒸気に従うが、しかしながら、矢印６９によって示されるように、層流器５５によって層流される。したがって、下部気体領域６０において、外部気体の蓄積が行われる。その結果、拡散効果が、言わば、気体トラップ５０から減少して、気体トラップ５０の効率が、大きく影響を受けない。

構成に際しては、図６ｂと同様の気体トラップ５０を構成することが好ましい。このために、気体トラップ５０は、蓄積容器１０と好ましくは漏斗形の入口領域（漏斗部）７２との間に延在した比較的長い首７０を有する。首７０の長さは重要でないが、少なくとも、蓄積容器１０の底部は、例えば、ヒートポンプの蒸発器２のような冷たい領域に配置される。これは、液化装置の下部気体領域６０からの暖かい水蒸気が、蓄積容器１０の冷たい壁と接触することを意味する。それは、水蒸気の凝縮に導く。したがって、気体トラップ５０内の水蒸気が、蒸発器２内に配置された蓄積容器１０の冷たい壁で凝縮するので、漏斗部７２から首７０に沿って蓄積容器１０へ入る、連続した水蒸気流が生じる。一方、こうして生じた気体トラップ５０へ流れは、外部気体を蓄積容器１０の中に運ぶのに役立ち、同時に、蓄積容器１０の中の水を蓄積するのに役立つ。蓄積容器１０の中の水は、次に、圧力発生手段（加熱コイル）１によって加熱され、蒸気の放出を引き起こす。好ましくは、層流化手段７３は、気体トラップ５０の効率を高めるために、例えば、ハニカム形構造の形態で、漏斗部７２の開口に配置される。

液化装置が蒸発器２の上に配置されるようなヒートポンプが構成されるときには、蒸発器２、または、概してシステムの冷たい位置の中に蓄積容器１０の壁を配置する構成が、特に有利である。この構成において、首７０は、液化装置を下方に通って蒸発器２に達し、冷たい凝縮壁を提供する。冷たい凝縮壁は、一方で、連続気体流を気体トラップ５０の中に導き、他方で、水が気体トラップ５０の中に常に存在するようにする。気体トラップ５０は、蓄積容器１０内の圧力が増加するように加熱される。その結果、外部気体の放出が、特定のときに行われる。

図７は、ビル暖房用ヒートポンプのブロック図を示す。ビル暖房用ヒートポンプは、好ましくは、一戸建て住宅、または、小さいアパートを暖房できるように構成される。好ましくは、ビル暖房用ヒートポンプは、１０室未満（好ましくは、５室以下）を有する小さいアパートを暖房するように構成されるべきである。ヒートポンプは、乱流発生器を有する蒸発器ハウジング４２´を有する蒸発器４２を含む。蒸発器４２の中で発生した蒸気は、蒸気路１００を通って圧縮機１０２に供給される。圧縮機１０２は、蒸気を圧縮して、圧縮蒸気を、圧縮蒸気のための蒸気路１０４を通して、凝縮器ハウジング４３´を有する発明の凝縮器４３に導く。凝縮器４３は、乱流発生器４０または層流器４８のいずれか１つ、または、好ましくは両方を含み、より効率的な凝縮を取得する。蒸発器４２は、補給路１０６によって、蒸発させられるべき液体を受け取る。そして、凝縮器４３は、放出路１０８によって、凝縮された液体を放出する。さらに、凝縮器４３は、例えば、床暖房のための４０度の温度を有する暖房往流１１０ａと、ビルの暖房システムからの暖房復流１１０ｂとを含む。例えば、床暖房または壁暖房要素などの暖房器において、熱交換器が提供されない凝縮器内の液体と同じ液体が流れる。あるいは、熱交換器が提供され、その結果、暖房往流１１０ａと暖房復流１１０ｂとが、図７に示されない熱交換器に導かれ、実際の暖房器には導かれない。開システムの場合、放出路１０８は、例えば、地下水、海水、塩水、川水などの開放貯蔵槽に導く。同様に、そのような開システムの場合、補給路１０６は、地下水、海水、川水、塩水などから来る。また、点線で示すように、接続要素１１０によって繋がれた閉システムが使用されてもよい。この場合、連結要素１１０は、凝縮器４３の中で凝縮する液体が、再び、蒸発器４２に供給されることを保証する。ここで、対応する圧力差が考慮される。

半開放システムの場合、補給路１０６の中の循環液体は、地下水から熱を運ぶけれども、地下水ではない。この場合、熱交換器は、補給路１０６の中の循環液体を加熱するために、地下貯蔵槽の中に配置される。補給路１０６は、往復路として構成される。その結果、地下水によって輸送された熱は、ヒートポンプ過程を通って、加熱往流１１０ａの中に持って来られる。

本実施形態において、好ましくは、蒸発器４２および凝縮器４３の中の作動液体は水である。しかしながら、例えば、特にヒートポンプに供給された熱媒体液体のような別の作動液体を使用してもよい。しかしながら、水は蒸発／凝縮過程に特に適しているため好ましい。水の更に大きな利点は、カーボンニュートラルであるということである。

約１０℃の温度で水を蒸発させるために、蒸発器４２は、少なくとも補給路１０６を流れる水が蒸発する蒸発器表面の環境で、蒸発器内の圧力を維持するように構成される、蒸発器ハウジング４２´が提供される。仮に、水が作動液体として使用されるならば、蒸発器内の圧力は３０ミリバール未満であり、１０ミリバール未満の範囲にさえある。

凝縮器４３において、圧力は、４０ミリバールより大きく、２００ミリバールまたは１５０ミリバール未満である。この点で、凝縮器ハウジング４３´は、それぞれの圧力を維持するように構成される。３０℃以下または２２℃以下の凝縮温度での圧力が好ましい。

図８ａは、乱流発生器としてワイヤ部分を有する蒸発器４２または凝縮器４３の平面図である。図８ｂは、蒸発器４２の縦断面図である。これに類似して、仮に、対応する往流／復流などが考えられ、凝縮器液体が、外部から供給および排出されないで、循環するならば、凝縮器４３である。

蒸発器４２または凝縮器４３は、乱流発生器４０を上に配置した蒸発器表面または凝縮器表面８０を含む。乱流発生器４０は、例えば、螺旋８２として一緒に構成された個々のワイヤ部分である。同時に、乱流発生器４０は、互いに分離した大小の同心円のワイヤリングであってもよいが、螺旋の使用は取り扱いと取り付けに関して、より簡単である。好ましくは、波形矢印で示した作動液体の流れ方向８３において、それぞれが直径ｄを有する隣接するワイヤ部分８４ａ，８４ｂは、距離Ｄ_dだけ離れている。距離Ｄ_dは、ワイヤ部分８４ａ，８４ｂの直径ｄより大きく、好ましくは、直径ｄの３倍より小さい。図８ａのワイヤ部分８４ａ，８４ｂは円形の断面を有しているが、ワイヤ部分８４ａ，８４ｂの断面は任意である。

図８ｂは、漏斗形の蒸発器または凝縮器、あるいは、漏斗形の蒸発器表面または凝縮器表面８０の縦断面図である。ワイヤ部分８４ａ，８４ｂは、直接に、この表面８０に取り付けられる。また、表面８０に関して、乱流発生器４０の相対的位置が、乱流発生器４０によって、表面８０上に存在する作動液体に作用して、その結果、乱流が生じるように提供される限り、ワイヤ部分８４ａ，８４ｂは離して配置される。

蒸発器４２および凝縮器４３の両方の表面８０は、仮に、表面８０が完全に水平で、実際には存在していない補給路が存在する場合でも、作動液体補給路８６によって供給される作動液体が、表面８０の上に静止しないだけではなく、重力によって表面８０を流れるように形成される。このため、表面８０は少なくとも１つの傾斜面を含む。好ましくは、表面８０が漏斗形をしていて、供給口８６が中央部に、または、作動表面に関して配置されている。この結果、作動液体は、供給口８６に関して一方に排出されるだけではなく、四方に排出される。しかしながら、傾斜面として配置される平坦領域が存在する、特定の応用の構成も使用される。取入口または補給路８６は、最も高い位置に配置される。その結果、作動液体は、乱流発生器４０によって効果を引き起こすために、取入口８６のいくつかの縁ではなく、基本的に、表面８０の取入口８６に関して、例えば、３０°、６０°または９０°の限られた区域の中である。

また、蒸発器４２または凝縮器４３の作動位置において、作動液体が、重力の効果によって高低差に打ち勝つ限り、作動表面は、断面がピラミッド形、円錐形、不均一、または、湾曲していてもよい。

図９ａおよび図９ｂは、蒸発器４２または凝縮器４３の代替の作動表面８０の平面図である。図８ａに存在したワイヤ部分は、全く作動表面８０に存在しないが、突起または溝は、作動表面８０に存在する。図９ｂにおいて、突起だけが示される。溝も、同様に、言わば、示された突起に関して「消極的に」構成される。乱流発生器４０は、作動表面８０から突出する、または、作動表面８０から後退（すなわち、実際には作動表面８０の「穴」として後退）する。好ましくは、乱流発生器４０は、乱流発生器４０の頂部が、少なくとも、作動表面８０上の作動液体４１の液面を超えるほど作動表面８０から突出する。さらに、乱流発生器４０は、図９ｂに示されるように、どんな形をも有する。形が急峻であればあるほど、より多くの「回転」または乱流が発生する。同時に、乱流発生器４０は、特別な形態を使用して、水流の「分離」および「折り畳み」を達成するように構成される。

図示された構成は別として、乱流発生器は、作動液体の中に達する要素、例えば、しっかり作動表面８０に固定されていないが、作動表面８０の上に吊られたバーなどによって構成される。これらのバーは、構成によって、非常に強い乱流を発生させるように動く。このように、乱流は、多くの方法で発生する。好ましくは、総水流の少なくとも２０％が乱流で提供される限り、乱流発生器４０は、これらの乱流を発生させるために、しっかり作動表面８０に接続される、または、作動表面８０に関して、静的または動的な方法で位置決めされる。特定の実施形態において、蒸発器４２または凝縮器４３のほとんど全部の作動表面８０に、乱流発生器４０をできるだけ設けることが好ましい。その結果、全流量の９０％〜１００％が乱流となる。または、作動表面８０の領域に関して、作動表面８０上の作動液体の８０％以上または９０％以上が乱流となる。

図１０ａは、様々な層流器セル１２０を有する層流器４８の断面図を示す。層流器セル１２０の上では、矢印によって模式的に示されるように、温度Ｔ_Dを有する乱流蒸気（無方向性蒸気）１２２が存在している。しかしながら、層流器セル１２０の下では、乱流蒸気１２２は層流を作る。凝縮器表面８０上の凝縮器液体（作動液体）に接近するという事実のため温度Ｔ_Wは温度Ｔ_Dより低い。図１０ｂは、ｘ＝０からｘ＝Ｌへの層流器セル１２０の中の温度曲線を図式的に示す。ｘ＝０の温度は略Ｔ_Wであり、略指数関数的関係によってｘ＝Ｌで温度Ｔ_Dに達する、指数関数的関係が認められる。この関係は、図１０ｂに示した位置定数Ｋによって特徴付けられる。良好な層流化および良好な温度分布が起こるように、層流器セル１２０の長さが、少なくとも２Ｋ以上であるように構成することが好ましい。

さらに、無方向性蒸気１２２の温度Ｔ_Dは、水の温度Ｔ_Wよりはるかに高い。それでも、壁１２１によって互いに分離された個々の層流器セル１２０を有する層流器４８は、図１０ｂに示した温度分布を実施するので、どんな蒸気クーラーも必要ない。本実施形態において、個々の層流器セル１２０が存在する限り、層流器４８はハニカム形をしている、または、管材料で作られている。層流器セル１２０は、多少平行に指向され、好ましくは、内部が滑らかであり、方向性蒸気流（層流蒸気）１２４によって示されるように、層流化を引き起す。

層流器４８の出力の層流蒸気１２４が、層流器４８の入力の乱流蒸気１２２より少ない乱流である限り、層流器４８は、必ずしも完全に１００％の層流化を達成する必要はない。好ましくは、層流器セル１２０または層流器４８全体は、出力側の層流蒸気流１２４が、入力側の乱流蒸気流１２２の少なくとも半分の乱流となるように構成される。

作動液体としての水で稼動するヒートポンプ用凝縮器４３の使用において、仮に、層流器セル１２０の直径が５ｍｍであれば、層流器セル１２０の長さは、約１０ｍｍであることが好ましい。個々の層流器セル１２０の直径が大きければ大きいほど、十分な層流化が、より大きい直径でも達成されるように、長さＬも、より長くあるべきである。同時に、より小さい直径に関して、非層流化に導くノズル効果の発生を防ぐために、長さの下限が存在する。蒸気の流動抵抗を、できるだけ低く保つために、広大な層流器領域を設けて、図１０ａの層流器セル１２０の間の壁１２１の厚さをできるだけ薄く構成することが好ましい。好ましくは、仮に、直径が１ｍｍより小さいならば、長さは１ｍｍより長い。別の好ましい寸法例は以下の通りである。仮に、直径が５ｍｍ以上であれば、長さは１０ｍｍ以上である。仮に、直径が５ｍｍより小さいならば、長さは１０ｍｍより小さい。

不完全な層流化でも、基本的に層流化された層流蒸気１２４は、凝縮器表面上の作動液体に触れることを保証するために、層流器セル１２０の出力と作動液体の表面との間の距離ＤLを、比較的小さく、特に、５０ｍｍより小さく、または、好ましくは２５ｍｍより小さく、または、６ｍｍより小さくなるように構成することが好ましい。従って、層流蒸気１２４が層流器セル１２０を出るとき、層流蒸気１２４が、実際に、作動液体の温度と等しい、または、わずかだけ高い温度を持っていることも強要される。従って、層流蒸気１２４の中の蒸気粒子が、作動液体で「跳ね返らない」、または、再び蒸気発生器として機能しないで、凝縮によって作動液体の中に統合されることが保証される。このようにして、蒸気から作動液体への特に効率の良い熱輸送が行われる。

本発明の層流器４８は、凝縮するとき、効率の大きな増加を提供する。層流器４８のない従来技術では、面積当たりのパワーの効率は、凝縮器液体の温度によって、蒸気の温度が高ければ高いほど、強く減少した。その結果、蒸気を１０度だけ過加熱するとき、凝縮器パワーの１０％だけが可能であったと言われている。これは、典型的な表面凝縮または表面蒸発に対して、２〜３ｋＷ／ｍ²の凝縮器パワーに導く。本発明によれば、同じ面積で、４０〜２００ｋＷ／ｍ²、または、それ以上の実績によって、大きな高いパワーが達成される。これは、簡潔な方法で効率係数が２０倍に増加することを意味する。更なる利点は、効率が、無方向性蒸気１２２の温度から比較的独立しているということである。その結果、本発明によれば、例えば、４０℃である水で、１５０℃以上の温度を有する蒸気を凝縮することは、容易に可能である。その結果、層流器４８は、圧縮機の出力の蒸気温度から凝縮器効率の分断を提供する。したがって、圧縮機は、要件に従って、寸法決定される。そして、本発明によれば、凝縮に必要である度条件が、圧縮機の寸法決定において、考慮される必要はない。

上で説明した実施形態とは別に、乱流発生器４０および層流器４８は、２つの別々の要素として構成されるだけではなく、全く同じ要素として構成されてもよい。例えば、好ましくは、非吸水性の繊維で作られた繊維布または繊維マットが、蒸発器表面または凝縮器表面８０に置かれてもよい。ここで、繊維布の表面は、作動液体面から好ましくは３ｍｍ以上、特に５ｍｍ以上突出させる。作動液体は繊維の周りを流れ、乱流は繊維によって発生する。洗われた繊維は乱流発生器４０を代表する。しかしながら、作動液体から突出して、洗われなかった繊維は、層流器４８を代表する。必ずしも指摘する必要はないが、繊維による蒸気の摩擦は、蒸気の層流化を導く。繊維の材料は、プラスチックまたは金属であり、繊維布は、例えば、金属ウール、または、特にスチールウールである。この構成の利点は、乱流発生器４０と層流器４８との分離が自動的であり、現在の液面によって定義されるので、この構成が自動調整するということである。それは別として、取り付けは、特に簡単であって、その結果、費用対効果に優れている。

特定の要素は、装置の特徴として記述されているけれども、同時に、これは、対応する方法のステップの記述を代表する。

４０ 乱流発生器
４２ 蒸発器
４３ 凝縮器
４３´ 凝縮器ハウジング
４８ 層流化手段
８０ 凝縮器表面
１０２ 圧縮機
１１０ａ 暖房往流
１１０ｂ 暖房復流
１２０ 層流器セル
１２４ 蒸気流

Claims (15)

1. 蒸発した作動液体を凝縮するための凝縮器（４３）であって、
   作動液体が流れるべき凝縮器表面（８０）と、
   前記凝縮器表面（８０）上の前記作動液体の中に乱流を発生させるように構成された複数の乱流発生器（４０）と、
   前記凝縮器表面（８０）に向けられた蒸気流（１２４）を層流にするように構成され、その結果、層流にされた蒸気が前記複数の乱流発生器により発生された前記作動液体における前記乱流に衝突する、層流化手段（４８）と、
   を備え、
   前記乱流発生器（４０）および前記層流化手段（４８）の両方が、同じ要素によって形成されていること、を特徴とする、凝縮器。
2. 前記凝縮器表面（８０）を収容し、前記凝縮器表面（８０）での凝縮器ハウジング内圧力を維持するように構成された凝縮器ハウジング（４３´）を、更に備え、
   前記凝縮器ハウジング内圧力は、凝縮した作動液体が予め決められた最低温度を有するような圧力であること、
   を特徴とする、請求項１に記載の凝縮器。
3. 前記所定の最低温度は２２℃以上であること、を特徴とする、請求項２に記載の凝縮器。
4. 前記凝縮器表面（８０）は作動位置において傾斜しており、前記作動液体は前記凝縮器表面（８０）に供給され、その結果、前記作動液体は、重力によって、前記作動液体のための取入口から前記凝縮器表面（８０）の排水口に流れること、を特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の凝縮器。
5. 前記凝縮器表面（８０）は、ピラミッド形、円錐形、漏斗形、もしくは、傾斜面の形をしており、前記傾斜面は平坦もしくは非平坦であること、を特徴とする、請求項４に記載の凝縮器。
6. 前記凝縮器表面（８０）への前記作動液体のための前記取入口が、前記凝縮器表面（８０）によって囲まれており、その結果、前記取入口のいくつかの側の作動液体流が前記凝縮器表面（８０）を横切ること、を特徴とする、請求項４または請求項５に記載の凝縮器。
7. 前記凝縮器表面（８０）上の前記作動液体から前記層流化手段（４８）までの距離が２５ｍｍより小さく、層流化された前記蒸気流（１２４）は前記層流化手段（４８）を通過すること、を特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の凝縮器。
8. 前記層流化手段（４８）は、層流器セル（１２０）を有するハニカム材料もしくは管材料から成り、前記層流器セル（１２０）の長さは、前記層流器セル（１２０）の直径に比例し、前記層流化手段（４８）に供給される乱流蒸気流の少なくとも半分の蒸気流が、出力側に発生するように構成されていること、を特徴とする、請求項１に記載の凝縮器。
9. 仮に、前記層流器セル（１２０）が５ｍｍより大きい直径を有するならば、前記層流器セル（１２０）の長さは１０ｍｍより長く、かつ、仮に、前記層流器セル（１２０）が１ｍｍより小さい直径を有するならば、前記層流器セル（１２０）の長さは１ｍｍより長いこと、を特徴とする、請求項８に記載の凝縮器。
10. 前記凝縮器表面（８０）を流れ落ちる前記作動液体が導入される作動液体貯蔵槽を備え、前記凝縮器表面（８０）を流れ落ちる前記作動液体と比較して冷えた作動液体が、作動液体流（４１）として、前記液体貯蔵槽から前記凝縮器表面（８０）に供給されること、を特徴とする、請求項１〜請求項９のいずれかに記載の凝縮器。
11. ヒートポンプで使用されるように構成されていること、を特徴とする、請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の凝縮器。
12. １０室未満のビルのためのビル暖房用ヒートポンプに使用するように構成されていること、を特徴とする、請求項１１に記載の凝縮器。
13. 前記作動液体が水であること、を特徴とする、請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の凝縮器。
14. 作動液体（４１）を蒸発させるための蒸発器（４２）と、
    請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の凝縮器（４３）と、
    前記蒸発器（４２）によって蒸発された前記作動液体を圧縮するための圧縮機（１０２）と、を備え、
    前記蒸発器（４２）は、蒸発させられるべき前記作動液体が流れる蒸発器表面（８０）と、前記蒸発器表面（８０）上で蒸発させられるべき前記作動液体の中に乱流を発生させるように構成された複数の乱流発生器（４０）と、を含み、
    前記圧縮機（１０２）は、前記凝縮器（４３）に圧縮された蒸気を供給するために、前記凝縮器（４３）に連結し、
    前記凝縮器（４３）は、さらに、暖かい暖房液体を供給するための暖房往流（１１０ａ）、および、前記凝縮器（４３）に冷たい暖房液体を供給するための暖房復流（１１０ｂ）を含むこと、
    を特徴とする、ヒートポンプ。
15. 作動液体を凝縮器表面（８０）上に流すステップと、
    前記凝縮器表面（８０）上を流れる前記作動液体の中に乱流発生器（４０）により乱流（４０）を発生させるステップと、
    前記凝縮器表面（８０）に向けられた蒸気流（１２４）を層流化手段（４８）により層流にし、その結果、層流にされた蒸気が前記作動液体の中の前記乱流に衝突するステップと、
    を備え、
    前記乱流発生器（４０）および前記層流化手段（４８）の両方が、同じ要素によって形成されていること、を特徴とする、蒸発した作動液体の凝縮方法。