(57)【要約】      （修正有）【課題】ヒートポンプ装置の消費電力を大幅に低減する事のできる、複合ヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、冷媒サイクル及び、カルノーサイクルの発電サイクルの第２サイクルからなる、複合サイクルを用いて、従来、冷却するためだけに凝縮器３から大気に放出され、捨てられていた、未利用の熱エネルギーを、第２サイクルの冷媒との熱交換により活用する。これにより、ヒートポンプ装置の消費電力を大幅に低減できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、冷媒サイクルの第２サイクルからなる複合サイクルを有する複合ヒートポンプ装置において、従来、冷却するためだけに凝縮器により、大気に放出されていた、未利用の熱エネルギーを活用して、第１サイクルの冷媒と、第２サイクルの冷媒を巧妙に熱交換し利用する事により、全体のヒートポンプ能力とヒートポンプ効率を向上させる事ができる複合ヒートポンプ装置。
【請求項２】
逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと冷媒サイクル及び、カルノーサイクルの発電サイクルの第２サイクルからなる複合サイクルを用いて、第１サイクルの膨張機から発電機により電力を取り出し利用する事により、消費電力を大幅に低減する複合ヒートポンプ装置。
【請求項３】
逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、冷媒サイクルの第２サイクルからなる複合サイクルを有する複合ヒートポンプ装置において、第１サイクルの温度の高い冷媒と熱交換した第２サイクルの冷媒を利用して、第１サイクルの膨張機を通過し減圧、低温となった冷媒を、熱交換器によって昇温し蒸発温度を上げ、第１サイクルの圧縮機に必要な駆動力を低減させ、効率を向上させる事ができる複合ヒートポンプ装置。
【請求項４】
逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、カルノーサイクルの発電サイクルの第２サイクルからなる複合サイクルを有する複合ヒートポンプ装置において、第２サイクルの冷媒を、第１サイクルの膨張機を通過し減圧、低温となった冷媒との熱交換により降温させ、第２サイクル冷媒の蒸発温度を低下させ、発電サイクルの効率を向上させる事ができる複合ヒートポンプ装置。
【請求項５】
逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、カルノーサイクルの発電サイクルの第２サイクルからなる複合サイクルを有する複合ヒートポンプ装置において、第１サイクルの圧縮機により高温となった冷媒との熱交換により、第２サイクルの冷媒を昇温し、その膨張力による第２サイクル膨張機の駆動力で、発電を行い、利用する事により消費電力を大幅に低減する複合ヒートポンプ装置。
【請求項６】
逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、カルノーサイクルの発電サイクルの第２サイクルからなる複合サイクルを用いて、第２サイクルの膨張弁の替わりに膨張機を取り付け、その駆動力で発電を行い、利用する事により、消費電力を大幅に低減する複合ヒートポンプ装置において、第１サイクルの冷媒と、第２サイクルの冷媒をそれぞれの特性に合った異なった冷媒、水、ブライン等、を用いる複合ヒートポンプ装置。
【請求項７】
逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、冷媒サイクル及び、カルノーサイクルの発電サイクルの第２サイクルからなる複合サイクルを用いて、第１サイクルの膨張弁の替わりに膨張機を取り付け、その駆動力で発電を行い、利用する事により、消費電力を大幅に低減する複合ヒートポンプ装置において、第１サイクルの冷媒と、第２サイクルの冷媒をそれぞれの特性に合った異なった冷媒、水、ブライン等、を用いる複合ヒートポンプ装置。
【請求項８】
逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、冷媒サイクルの第２サイクルからなる複合サイクルを有する複合ヒートポンプ装置において、従来、冷却するためだけに凝縮器により、大気に放出されていた、未利用の熱エネルギーを活用して、第１サイクルの冷媒と、第２サイクルの冷媒を熱交換し利用する事により、全体のヒートポンプ能力とヒートポンプ効率を向上させる事ができる複合ヒートポンプ装置において、第１サイクルの冷媒と、第２サイクルの冷媒をそれぞれの特性に合った異なった冷媒、水、ブライン等、を用いる複合ヒートポンプ装置。
【請求項９】
逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、冷媒サイクルの第２サイクルからなる複合サイクルを有する複合ヒートポンプ装置において、従来、冷却するためだけに凝縮器により、大気に放出されていた未利用の熱エネルギーを活用して、第２サイクルの冷媒と、第１サイクルの冷媒とを熱交換し利用する事により、全体のヒートポンプ能力とヒートポンプ効率を向上させる事ができるヒートポンプ装置において、第２サイクルの冷媒の循環量を温度センサーにより検知し制御する事により、常に最適な温度と循環量を保つ事ができる複合ヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、冷媒サイクル及び、カルノーサイクルの発電サイクルの第２サイクルからなる、複合サイクルを用いて、従来、冷却するためだけに凝縮器から大気に放出され、捨てられていた、未利用の熱エネルギーを、第２サイクルの冷媒との熱交換により活用する。
第２サイクルに冷媒サイクルを用いる場合は、第１サイクルの圧縮機により圧縮され、高圧、高温となった冷媒を利用して、熱交換により第２サイクルの冷媒を昇温する。そして第１サイクルの膨張弁または、膨張機を通過し低圧、低温となった冷媒と昇温された第２サイクルの冷媒と再び熱交換を行い、第１サイクルの冷媒の蒸発温度を上げ、第１サイクルの圧縮機に必要な駆動力を大幅に低減させる。
第２サイクルにカルノーサイクルの発電サイクルを用いる場合は、第２サイクルの膨張機を通過した後に、第１サイクルの減圧、低温となった冷媒との熱交換により、低温となり冷媒ポンプにより加圧された第２サイクルの冷媒と、第１サイクルの圧縮機により高温、高圧となった第１サイクルの冷媒との熱交換により、高温、高圧となった第２サイクルの冷媒の膨張機による駆動力で、発電を行い、第１サイクルの圧縮機と第２サイクルの冷媒ポンプの駆動を補助する。
また第１サイクルの膨張弁の替わりに膨張機を取り付け、その駆動力を利用して発電を行い、第１サイクルの圧縮機と第２サイクルの循環ポンプの駆動を補助する。これにより、ヒートポンプ装置の消費電力を大幅に低減する事のできる、複合ヒートポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】現在、世界的に逆カルノーサイクルを原理としたヒートポンプ装置は、そのエネルギー効率の高さから、将来の低炭素社会への有力な切り札となっている。また、日本におけるヒートポンプ装置の技術は順調に発展し、世界をリードするに至っている。こういった環境においてヒートポンプ装置の更なる性能向上及び、ヒートポンプ技術の有効利用が求められている。【０００３】こういった環境において逆カルノーサイクルの冷凍サイクルと冷媒サイクル及び、カルノーサイクルを複合的に、かつ巧妙に活用したヒートポンプ装置の社会的な意義は計りしれない。
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許４９１８４５０
【特許文献２】特許５４４１８４４
【発明の概要】
【０００５】本発明は、逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、冷媒サイクル及び、カルノーサイクルの発電サイクルの第２サイクルからなる、複合サイクルを用いて、従来、冷却するためだけに凝縮器から大気に放出され、捨てられていた、未利用の熱エネルギーを、第２サイクルの冷媒との熱交換により活用する。
第２サイクルに冷媒サイクルを用いる場合は、第１サイクルの圧縮機により圧縮され、高圧、高温となった冷媒を利用して、熱交換により第２サイクルの冷媒を昇温する。そして第１サイクルの膨張弁または、膨張機を通過し低圧、低温となった冷媒と昇温された第２サイクルの冷媒と再び熱交換を行い、第１サイクルの冷媒の蒸発温度を上げ、第１サイクルの圧縮機に必要な駆動力を大幅に低減させる。
第２サイクルにカルノーサイクルの発電サイクルを用いる場合は、第２サイクルの膨張機を通過した後に、第１サイクルの減圧、低温となった冷媒との熱交換により、低温となり冷媒ポンプにより加圧された第２サイクルの冷媒と、第１サイクルの圧縮機により高温、高圧となった第１サイクルの冷媒との熱交換により、高温、高圧となった第２サイクルの冷媒の膨張機による駆動力で、発電を行い、第１サイクルの圧縮機と第２サイクルの冷媒ポンプの駆動を補助する。
また第１サイクルの膨張弁の替わりに膨張機を取り付け、その駆動力を利用して発電を行い、第１サイクルの圧縮機と第２サイクルの循環ポンプの駆動を補助する。これにより、ヒートポンプ装置の消費電力を大幅に低減する事のできる、複合ヒートポンプ装置である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】現在、電気は、大規模な発電施設で発電するか、工場等での自家発電、各家庭等での個別の小規模発電で作られているが、大規模発電である原子力は事故時の被害の甚大さや核燃料廃棄物処理の問題、火力や天然ガスはＣＯ２を排出し、水力及び、地熱、太陽熱、太陽光、風力等の再生可能エネルギーは規模や建設場所等の問題がある。工場等の自家発電も、ＣＯ２排出や燃料価格の変動等の問題があり、各家庭での太陽光、風力等の再生可能エネルギー利用は、共に気候に左右され不安定であり、また規模も限られる。この様な状況のなかで、より一層、エネルギーの有効利用を促進する必要が有る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】本発明は、逆カルノーサイクルの冷凍サイクルの第１サイクルと、冷媒サイクル及び、カルノーサイクルの発電サイクルの第２サイクルからなる複合サイクルを用いて、従来、冷却するためだけに凝縮器から大気に放出され、捨てられていた、未利用の熱エネルギーを、第２サイクルの冷媒との熱交換により活用する。
第１サイクルの冷媒と、第２サイクルの冷媒を巧妙に熱交換し利用する事により、全体の給湯能力と給湯効率を向上させる事ができる複合ヒートポンプ装置であり、また、第１サイクルの膨張弁の替わりに膨張機を取り付け、その駆動力を利用して発電を行い、第１サイクルの圧縮機と第２サイクルの循環ポンプの駆動を補助する。これにより、ヒートポンプ装置の消費電力を大幅に低減する事のできる、複合ヒートポンプ装置である。
前記課題を解決するためには、本発明は冷媒サイクルを複合的に組み合わせる事により、大気の熱エネルギーを利用して発電を行い、さらに複合サイクルの巧妙な熱交換により、ヒートポンプ装置の消費電力を大幅に低減する事のできる複合ヒートポンプ装置であり、新しい自然エネルギーの有効利用として極めて有用である。
【発明の効果】
【０００８】本発明は大気の熱エネルギーを利用する為、一年中２４時間安定稼働が可能な省電力、複合空調冷凍装置であり、各戸別、及び大規模施設、店舗等、どこにでも設置可能である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】以下、本発明による複合空調冷凍装置を図１、図２、図３、に示す全体の構成図に基づいて説明する。
【００１０】図１、において、第１サイクルの圧縮機１は外部駆動機１５により駆動される。圧縮され高温、高圧となった１サイクルの冷媒は、冷媒配管１０を経て凝縮器５に流入し、貯湯タンク１８から給湯ポンプ１６により配管２１を経て凝縮器５に流入した冷水と熱交換を行い、排出され、熱交換３と冷媒配管７を経て膨張弁２、または図２の膨張機２０に入る
【００１１】図１、において、第１サイクルの膨張弁２により膨張するか、または図２の膨張機２０により発電機の１７を駆動し発電を行う。
【００１２】図１、において、膨張弁２により膨張し低温、低圧となった第１サイクルの冷媒は冷媒配管８を経て、熱交換器４によって、第１サイクルの圧縮機により圧縮され、高圧、高温となった冷媒との熱交換により昇温された、第２サイクルの冷媒と熱交換して昇温し、冷媒配管９を経て圧縮機１に戻る。この冷媒の昇温により、第１サイクルの圧縮機１の圧縮に必要な駆動力を大幅に低減させる。
【００１３】図２、において膨張機２０により膨張し低温、低圧となった第１サイクルの冷媒は冷媒配管８を経て、熱交換器４によって、第２サイクルの冷媒と熱交換し、冷媒配管９を経て圧縮機１に戻る。
【００１４】図１、により、熱交換器３を介して昇温された、第２サイクルの冷媒は、冷媒配管１３を経て、通り熱交換器４に入る。
【００１５】図２、により、熱交換器３を介して昇温された、第２サイクルの冷媒は冷媒配管１３を経て、膨張機２５に入り、発電機の１９を駆動し発電を行い、冷媒配管１４を通り熱交換器４に入る。
【００１６】図１、において、第２サイクルの冷媒は、第１サイクルの膨張弁２を通過し低圧、低温となった冷媒を昇温し、冷媒配管１１を経て循環ポンプ６に戻る。
【００１７】図２、において、第２サイクルの冷媒は、第１サイクルの膨張機２０を通過し低圧、低温となった冷媒と熱交換を行って降温し、冷媒配管１１を経て冷媒ポンプ２６に戻る。
【００１８】図１、において、循環ポンプ６により送られた第２サイクル冷媒は、冷媒配管１２を経て熱交換器３に流入し、第１サイクルの高温となった冷媒との熱交換により昇温され、循環する。
【００１９】図１、において、凝縮器５に流入し、昇温された温水は、配管２２を経て貯湯タンク１８に戻る。
【００２０】以下、本発明による、第２サイクルが冷媒サイクルの場合の、第２サイクルの冷媒の循環量を制御する複合空調冷凍装置を図３、に示す全体の構成図に基づいて説明する。
【００２１】図３、において、循環ポンプ６により送られた冷媒サイクルの第２サイクルの冷媒は、冷媒配管１２を経て熱交換器３に流入し、第１サイクルの高温となった冷媒との熱交換により昇温され、冷媒配管１３から熱交換器４に流入し、循環ポンプ６により熱交換器３を経て循環する。
第２サイクル冷媒は温度センサー２４により温度を検知され、循環ポンプ６の循環量を制御装置２３により制御される事によって、適正な温度に保たれる。
【００２２】ここで、複合サイクルではない通常の冷凍サイクルの場合の、ヒートポンプ装置の第１サイクルの具体的な運転状態について、図４、において実線のＰ−ｈ（モリエル）線図により説明する。
逆カルノーサイクルの第１サイクルにおける、点Ａは圧縮機１に供給される冷媒の状態（例えば圧力０．５８４ＭＰａ、１０℃）を示し、駆動機１５で駆動される圧縮機１により圧縮され、高圧、高温となり、点Ｂにおいては（例えば圧力２．４２７ＭＰａ、８６℃）となる。点Ａから点Ｂへの状態変化は、等エントロピー変化となる。点Ｃは凝縮器から流出した冷媒の状態を示し（例えば圧力２．４２７ＭＰａ、５０℃）となる。点Ｄは第１サイクル膨張弁２により膨張した後の熱交換器４の入口における冷媒の状態を示し（例えば圧力０．５８４ＭＰａ、５℃）となる。点Ｃから点Ｄへの状態変化は、等比エンタルピー変化となる。
【００２３】ここで、複合サイクルの複合ヒートポンプ装置の第２サイクルが、冷媒サイクルの場合の第１サイクルの具体的な運転状態について、図４、において一点鎖線のＰ−ｈ（モリエル）線図により説明する。
逆カルノーサイクルの第１サイクルにおける、点Ａ’は第２サイクルの冷媒により熱交換器４において昇温され、圧縮機１に供給される冷媒の状態（例えば圧力０．８１２ＭＰａ、２０℃）を示し、駆動機１５で駆動される圧縮機１により圧縮され、高圧、高温となり、点Ｂ’においては（例えば圧力２．４２７ＭＰａ、８２℃）となる。点Ａ’から点Ｂ’への状態変化は、等エントロピー変化となる。点Ｃ’は凝縮器５を経て熱交換器３から流出した冷媒の状態を示し（例えば圧力２．４２７ＭＰａ、４２℃）となる。点Ｄ’は第１サイクル膨張弁２により膨張した後の、室内熱交換器４の入口における冷媒の状態を示し（例えば圧力０．８１２ＭＰａ、１６℃）となる。点Ｃ’から点Ｄ’への状態変化は、等比エンタルピー変化となる。点Ｅ’は第１サイクル膨張機２０により膨張した後の熱交換器４の入口における冷媒の状態を示し（例えば圧力０．８１２ＭＰａ、１６℃）となる。点Ｃ’から点Ｅ’への状態変化は、等エントロピー変化となる。第１サイクルの冷媒は、点Ｄ’または点Ｅ’の状態から、熱交換器４を経て、点Ａ’の状態に戻る。
【００２４】ここで、複合サイクルの複合ヒートポンプ装置の第２サイクルの発電サイクルの具体的な運転状態について、図５、においてＰ−ｈ（モリエル）線図により説明する。
カルノーサイクルの第２サイクルにおける、点Ｆは第１サイクルの冷媒により熱交換器３において昇温され、膨張機２５に供給される冷媒の状態（例えば圧力０．４０１ＭＰａ、６０℃）を示し、膨張機２５より膨張し、低圧、低温となり、点Ｇにおいては（例えば圧力０．０８３ＭＰａ、１６℃）となる。点Ｆから点Ｇへの状態変化は、等エントロピー変化となる。点Ｈは熱交換器４から流出した冷媒の状態を示し（例えば圧力０．０８３ＭＰａ、６℃）となる。点１は冷媒ポンプ２６により昇圧した後の、室内熱交換器３の入口における冷媒の状態を示し（例えば圧力０．４０１ＭＰａ、１０℃）となる。点Ｈから点Ｉへの状態変化は、等エントロピー変化となる。第２サイクルの冷媒は、点Ｉの状態から、熱交換器３を経て、点Ｆの状態に戻る。
【００２５】ここで、通常の冷凍サイクルの理論圧縮動力ΔＩと複合ヒートポンプ装置の第２サイクルが冷媒サイクルの場合の理論圧縮動力Δｉ’の比較を、図４、のＰ−ｈ（モリエル）線図により説明する。４図において、通常の冷凍サイクルの第１サイクルより発生する理論圧縮動力ΔＩの比エンタルピーの値は（例えばｈ２−ｈ１＝３７ＫＪ／Ｋｇ）。そして、複合ヒートポンプ装置の第１サイクルより発生する理論圧縮動力Δｉ’の比エンタルピーの値は（例えばｈ２’−ｈ１’＝２９ＫＪ／Ｋｇ）であり、例えば約２２％効率が良くなる。
【００２６】ここで、通常の冷凍サイクルの成績係数と複合ヒートポンプ装置の冷凍サイクルの成績係数の比較を、図４、のＰ−ｈ（モリエル）線図により説明する。図４において、通常の冷凍サイクルの第１サイクルより発生する冷凍サイクルの成績係数の値は（例えばｈ１−ｈ４／ｈ２−ｈ１≒３．９５）。そして、複合ヒートポンプ装置の第１サイクルより発生する冷凍サイクルの成績係数の値は（例えばｈ１’−ｈ４’／ｈ２’−ｈ１’≒５．４８）であり、例えば約２８％効率が良くなる。
【００２７】ここで、複合ヒートポンプ装置の発電量について、図４、図５のＰ−ｈ（モリエル）線図により説明する。この図において、膨張機２０、２５、冷媒ポンプ２６、の全断熱効率が１であり、発電機１７，１９の発電効率が１００％である場合に得られる理論電力は、逆カルノーサイクルの第１サイクルより発生する比エンタルピーの値、第１サイクルの膨張機２０の理論膨張動力Δｊに、カルノーサイクルの第２サイクルより発生する比エンタルピーの値、第２サイクルの膨張機２５の理論膨張動力Δｋを加えた値に、冷媒の循環流量を乗じた値となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合ヒートポンプ装置の第２サイクルが冷媒サイクルの場合示す構成図
【図２】複合ヒートポンプ装置の第２サイクルがカルノーサイクルの発電サイクルの場合示す構成図
【図３】第２サイクルの冷媒の循環量を制御する複合ヒートポンプ装置を示す構成図
【図４】通常の冷凍ヒートポンプ装置と複合ヒートポンプ装置の比較を示す第１サイクルのＰ−ｈ線図
【図５】カルノーサイクルの発電サイクルである第２サイクルのＰ−ｈ線図
【符号の説明】
【００２８】１・・・第１サイクルの圧縮機、２・・・第１サイクルの膨張弁、３・・・熱交換器、４・・・熱交換器、５・・・凝縮器、６・・・循環ポンプ、７、８、９、１０・・・第１サイクルの冷媒配管、１１、１２、１３、１４・・・第２サイクルの冷媒配管、１５・・・駆動機、１６・・・給湯ポンプ、１７・・・第１サイクルの発電機、１８・・・貯湯タンク、１９・・・第２サイクルの発電機、２０・・・第１サイクルの膨張機、２１、２２・・・配管、２３・・・制御装置、２４・・・温度センサー、２５・・・第２サイクルの膨張機、２６・・・冷媒ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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