(57)【要約】【課題】被加熱媒体の温度変化が小さい用途であっても、エネルギ効率の向上を図ることができるヒートポンプ装置と、それを利用したコージェネレーション装置とを提供する。【解決手段】ＣＯ2を冷媒とし、循環する温水を加熱して所定温度の温水を貯湯する貯湯回路４を有するヒートポンプ装置１であって、ヒートポンプ装置１は、第一圧縮機１１で圧縮された冷媒が、第一加熱コンデンサ１２を通過して温水を加熱し、第二圧縮機１３で圧縮され、第二加熱コンデンサ１４を通過して温水を加熱し、膨張弁１５で減圧され、蒸発器１７で冷却された後、再度第一圧縮機１１へと戻り、循環を繰り返すように接続されてなるものである。蒸発器１７通過前の冷媒と蒸発器１７通過後の冷媒とを熱交換する内部熱交換器１６を有するものであってもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ2を冷媒とし、循環する温水を加熱して所定温度の温水を貯湯する貯湯回路を有するヒートポンプ装置であって、
ヒートポンプ装置は、第一圧縮機で圧縮された冷媒が、第一加熱コンデンサを通過して温水を加熱し、第二圧縮機で圧縮され、第二加熱コンデンサを通過して温水を加熱し、膨張弁で減圧され、蒸発器で冷却された後、再度第一圧縮機へと戻り、循環を繰り返すように流れる冷媒経路を形成するように接続されてなることを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
蒸発器通過前の冷媒と蒸発器通過後の冷媒とを熱交換する内部熱交換器を有する請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
第二加熱コンデンサ出口に、膨張行程動力の回収を行う回転型の膨張機が設けられ、この膨張機は、第二圧縮機と直結、または変速機構を介して連結されてなる請求項１または２記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
循環する温水は、第二加熱コンデンサを通過した後に、第一加熱コンデンサを通過するようになされた請求項１ないし３の何れか一に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
エンジンに接続された発電機によって発電し、発電した電力を他へ供給するための電力供給回路と、エンジン廃熱を回収して温水を調製する貯湯回路とを有して構成されたコージェネレーション装置であって、
請求項１ないし３の何れか一に記載のヒートポンプが、電力供給回路に接続され、発電機で発電した電力によって駆動するようになされ、
貯湯回路を循環する温水は、第二加熱コンデンサを通過した後に、第一加熱コンデンサを通過するようになされたことを特徴とするコージェネレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ2冷媒を用いたヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプや冷凍機の用途でＣＯ2冷媒の利用が拡大しているが、臨界温度が３１℃と低く、循環温水加熱のような、被加熱媒体の温度変化が小さい用途では、ＣＯＰが大幅に低下することとなる。
【０００３】
そこで、従来より、高元側ヒートポンプユニットと低元側ヒートポンプユニットとからなる二元型ヒートポンプ装置により、ＣＯＰの向上を図るように構成されたヒートポンプ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１５２０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来のヒートポンプ装置の場合、高元側ヒートポンプユニットと、低元側ヒートポンプユニットとをそれぞれ有する構成となるため、装置が複雑化し、メンテナンスが煩わしくなるといった不都合を生じることとなる。
【０００６】
本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、被加熱媒体の温度変化が小さい用途であっても、エネルギ効率の向上を図ることができるヒートポンプ装置と、それを利用したコージェネレーション装置とを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明に係るヒートポンプ装置は、ＣＯ2を冷媒とし、循環する温水を加熱して所定温度の温水を貯湯する貯湯回路を有するヒートポンプ装置であって、ヒートポンプ装置は、第一圧縮機で圧縮された冷媒が、第一加熱コンデンサを通過して温水を加熱し、第二圧縮機で圧縮され、第二加熱コンデンサを通過して温水を加熱し、膨張弁で減圧され、蒸発器で冷却された後、再度第一圧縮機へと戻り、循環を繰り返すように流れる冷媒経路を形成するように接続されてなるものである。
【０００８】
上記ヒートポンプ装置は、蒸発器通過前の冷媒と蒸発器通過後の冷媒とを熱交換する内部熱交換器を有するものであってもよい。
【０００９】
上記ヒートポンプ装置は、第二加熱コンデンサ出口に、膨張行程動力の回収を行う回転型の膨張機が設けられ、この膨張機は、第二圧縮機と直結、または変速機構を介して連結されてなるものであってもよい。
【００１０】
上記ヒートポンプ装置において、循環する温水は、第一加熱コンデンサを通過した後に、第二加熱コンデンサを通過するようになされたものであっても、第二加熱コンデンサを通過した後に、第一加熱コンデンサを通過するようになされたものであってもよい。
【００１１】
上記課題を解決するための本発明のコージェネレーション装置は、エンジンに接続された発電機によって発電し、発電した電力を他へ供給するための電力供給回路と、エンジン廃熱を回収して温水を調製する貯湯回路とを有して構成されたコージェネレーション装置であって、上記ヒートポンプ装置が、電力供給回路に接続され、発電機で発電した電力によって駆動するようになされ、貯湯回路を循環する温水は、第二加熱コンデンサを通過した後に、第一加熱コンデンサを通過するようになされたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、第一圧縮機で圧縮された冷媒が、第一加熱コンデンサを通過する際に温水を加熱し、その後、第二圧縮機で圧縮された冷媒が、第二加熱コンデンサを通過する際に温水を加熱する。このように二段階に加熱されることで、温度変化が小さいでも運転効率の向上を図ることができる。しかも、この二段階加熱は、一つのヒートポンプサイクルで行われるため、簡単に装置を構成することができ、メンテナンスが煩雑になることも防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るヒートポンプ装置を用いたコージェネレーション装置の全体構    成の概略図である。
【図２】図１に係るコージェネレーション装置におけるヒートポンプ装置のモリエル    線図である。
【図３】本発明の他の実施の形態に係るヒートポンプ装置を用いたコージェネレーシ    ョン装置の全体構成の概略図である。
【図４】図３に係るコージェネレーション装置におけるヒートポンプ装置のモリエル    線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明に係るヒートポンプ装置１を用いたコージェネレーション装置１０の全体構成の概略を示し、図２は同コージェネレーション装置１０におけるヒートポンプ装置１のモリエル線図を示している。
【００１６】
このコージェネレーション装置１０は、エンジン２に接続された発電機２１によって発電し、発電した電力を他へ供給するための電力供給回路３と、エンジン２の廃熱を回収して温水を調製する貯湯回路４とを有して構成され、電力供給回路３には、発電機２１で発電した電力によって駆動するヒートポンプ装置１が接続されている。
【００１７】
ヒートポンプ装置１は、ＣＯ2を冷媒としており、この冷媒が、第一圧縮機１１、第一加熱コンデンサ１２、第二圧縮機１３、第二加熱コンデンサ１４、膨張弁１５、内部熱交換器１６、蒸発器１７、内部熱交換器１６の順に通過して、再度第一圧縮機１１へ戻って循環を繰り返すように流れる冷媒経路１８を形成するように接続されている。
【００１８】
すなわち、第一圧縮機１１で圧縮された高温高圧の冷媒は、第一加熱コンデンサ１２を通過する際に貯湯回路４を通過する温水を加熱して冷却される。その後、第二圧縮機１３で圧縮された冷媒は、さらに高温高圧となり、第二加熱コンデンサ１４を通過する際に貯湯回路４を通過する温水を加熱して冷却される。その後、冷媒は、膨張弁１５を通過させることによって減圧された後、蒸発器１７で蒸発する。この蒸発器１７を通過する前の冷媒と、蒸発器１７を通過した後の冷媒とは、内部熱交換器１６を通過して互いに熱交換を行うように構成されている。図２に示すように、この内部熱交換器１６によるエンタルピの変換（Ｅｄ→Ｅｉ）により、第一圧縮機１１入口の冷媒比エンタルピは増大し、したがって第一圧縮機１１出口の冷媒比エンタルピも増大するため、第一圧縮機１１による冷媒の圧縮が小さくても、第一加熱コンデンサ１２では、温水の昇温に十分なエンタルピ差Ｅ１を確保することができ、その後の第二圧縮機１３による冷媒の圧縮が可能となり、第二加熱コンデンサ１４でも、温水の昇温に十分なエンタルピ差Ｅ２を確保できることとなる。
【００１９】
ヒートポンプ装置１は、発電機２１で発電した電力によって駆動することができるように、電動モータ１１ａ、１３ａによって第一圧縮機１１および第二圧縮機１３を駆動できるようになされている。蒸発器１７に設けられたファン１７ａも含めてヒートポンプ装置１の駆動全体を発電機２１で発電した電力で駆動できるようになされている。
【００２０】
エンジン２は、発電機２１と接続されている。このエンジン２は、例えば、ガスを燃料とするガスエンジンが用いられており、発電機２１を駆動して発電するようになされている。エンジン２は、発電効率を高めるために、定格運転が行われる。
【００２１】
エンジン２の冷却水は、エンジン冷却水回路２２を介してエンジン２と水−水熱交換器２３との間を循環するように構成されており、エンジン２から回収した廃熱を水−水熱交換器２３で供給水に放熱した後、再度エンジン２に戻り、この循環を繰り返すことで廃熱回収するようになされている。ただし、エンジン２を冷却し過ぎると、燃費が低下することとなってしまうので、エンジン冷却水回路２２には、エンジン２から水−水熱交換器２３を通過せずにエンジン２へと戻るバイパス経路２２ａが設けられており、エンジン２の冷却水温度を一定に保つようになされている。
【００２２】
電力供給回路３は、発電機２１からの主経路３ａが、発電機２１からインバータ３１を介してヒートポンプ装置１を駆動する経路３ｂと、インバータ３２を介して外部電気系統３３に電力供給するための経路３ｃとに分岐されている。ヒートポンプ装置１を駆動する経路３ｂは、発電機２１で発電した電力を、ヒートポンプ装置１の駆動に使用する際に用いられる。ヒートポンプ装置１を駆動していないときの電力やヒートポンプ装置１を駆動しても余剰となる電力は、外部に電力供給するための経路３ｃへと供給される。外部電気系統３３に電力供給するための経路３ｃは、発電機２１から供給される電力を、インバータ３２で交流に変換した後、電力計３４を経て外部電気系統３３に電力供給される。この外部電気系統３３に電力供給される電力は、売電、蓄電、またはこのコージェネレーション装置１０を設置した施設（図示省略）で使用する際に用いられる。
【００２３】
貯湯回路４は、貯湯タンク４１内の水が、第二加熱コンデンサ１４を通過した後、第一加熱コンデンサ１２を通過し、その後、水−水熱交換器２３を経た後、再度貯湯タンク４１へと回収される循環経路を形成するようになされている。貯湯タンク４１内の水は、これら第二加熱コンデンサ１４、第一加熱コンデンサ１２および水−水熱交換器２３を経て加熱され、所定温度の温水を貯湯タンク４１に貯湯できるようになされている。
【００２４】
このようにして構成されるコージェネレーション装置１０は、エンジン２に接続した発電機２１を駆動することによって発電が行われる。発電した電力は電力供給回路３から外部電気系統３３を介して外部に供給される。
【００２５】
また、この発電時のエンジン２の廃熱は、貯湯回路４に設けた水−水熱交換器２３を介して回収し、温水として貯湯タンク４１に貯湯される。
【００２６】
そして、エンジン２の廃熱だけでは十分な温水を貯湯できない場合には、発電機２１で発電した電力をヒートポンプ装置１に供給してヒートポンプ装置１の運転を開始する。
【００２７】
この際、貯湯タンク４１内の温水は、貯湯回路４に設けた水−水熱交換器２３からエンジン２の廃熱を回収して、既に７０度程度の温度になっている場合がある。また、２０度程度の水から加熱を開始した時でも、貯湯タンク４１内の温水は、貯湯回路４を循環しながら昇温されるため、７０度程度の温度からでも、貯湯タンク４１に貯湯する温水の目標温度（約８５度〜９０度程度）に加熱できなければならない。
【００２８】
このような状況において、本発明のヒートポンプ装置１は、第一圧縮機１１によって高温高圧となった冷媒によって第一加熱コンデンサ１２で温水を加熱することができる。また、この加熱によって温度低下した冷媒を第二圧縮機１３によってさらに高温高圧とし、第二加熱コンデンサ１４で温水を加熱することができる。このように、第一圧縮機１１と第二圧縮機１３とによって二段階に加圧し、第一加熱コンデンサ１２と第二加熱コンデンサ１４とで加熱することができるので、各段でのエンタルピ差Ｅ１、Ｅ２が小さくても高いＣＯＰを達成することができる。
【００２９】
ただし、貯湯タンク４１の温水を第一加熱コンデンサ１２および第二加熱コンデンサ１４で加熱する場合、先に第一加熱コンデンサ１２で加熱してしまうと、第二加熱コンデンサ１４で加熱する際の温水の最低温度が高くなってしまい、図２の点Ａで示す位置のエンタルピが大きくなり、高段位置でのエンタルピ差Ｅ２を十分に確保できなくなってしまう。したがって、本発明のヒートポンプ装置１は、貯湯タンク４１の温水を加熱する場合、先に第二加熱コンデンサ１４を通過させて加熱した後、第一加熱コンデンサ１２を通過させるようにすることが好ましい。
【００３０】
図３は、本発明に係る他のヒートポンプ装置１を使用したコージェネレーション装置１０の実施の形態を示し、図４は同ヒートポンプ装置１のモリエル線図を示している。図３および図４において、図１および図２に示すヒートポンプ装置１およびコージェネレーション装置１０と同部材については同符号を付して説明を省略する。
【００３１】
このコージェネレーション装置１０は、ヒートポンプ装置１に、第二圧縮機１３の駆動を補助する回転型膨張器１９を設けて構成されている。
【００３２】
回転型膨張器１９は、第二加熱コンデンサ１４と膨張弁１５との間の冷媒経路１８に設けられている。この回転型膨張器１９は、接続上流側すなわち第二加熱コンデンサ１４側から供給される高圧の冷媒を受けて回転し、接続下流側すなわち膨張弁１５側に減圧された冷媒を流すようになされている。この回転型膨張器１９は、第二圧縮機１３と駆動連結されており、高圧の冷媒を受けて回転することによって回収した回転動力を、第二圧縮機１３を駆動する回転動力、すなわち、電動モータ１３ａの駆動力の補助に使用するようになされている。この際、回転型膨張器１９と第二圧縮機１３とは、直結されたものであってもよいし、動力回収し易い変速比に設定された変速機構１９ａを介し駆動連結されたものであってもよい。
【００３３】
ヒートポンプ装置１は、第一圧縮機１１と第二圧縮機１３とによって二段階に加圧するため、第二加熱コンデンサ１４を通過した後の冷媒は、非常に高圧な状態となっている。そこで、この大きな圧力の変化を利用して回転型膨張器１９を回転させ、動力回収することで、この回収した動力を第二圧縮機１３の駆動力の補助に使用することができることとなる。したがって、第一圧縮機１１と第二圧縮機１３とを駆動することによる消費電力の増加を軽減することができることとなる。
【００３４】
なお、上記した各実施の形態において、ヒートポンプ装置１は、コージェネレーション装置１０に組み合わせて使用する例が示されているが、ヒートポンプ装置１としては、このようにコージェネレーション装置１０と組み合わせたものに限定されるものではなく、ヒートポンプ装置１のみで使用するものであってもよい。特に、上記した各実施の形態で説明したように、循環加熱のように温度差が小さい場合の加熱に有効である。
【符号の説明】
【００３５】
１  ヒートポンプ装置
１０  コージェネレーション装置
１１  第一圧縮機
１２  第一加熱コンデンサ
１３  第二圧縮機
１４  第二加熱コンデンサ
１５  膨張弁
１６  内部熱交換器
１７  蒸発器
１８  冷媒経路
１９  回転型膨張器
２  エンジン
２１  発電機
３  電力供給回路
３０  外部給電検知経路
４  貯湯回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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