(57)【要約】【課題】動力損失および熱損失の少ないヒートポンプサイクルを提供する。【解決手段】冷媒を循環する閉回路を構成する冷媒配管１に、凝縮器２と膨張弁３と蒸発器４とをその順に設け、蒸発器４の下流側で凝縮器２の上流側の箇所にガスエンジン５を設け、蒸発器４の下流側とガスエンジン５の吸気側とを接続し、凝縮器２の上流側とガスエンジン５の排気側とを接続する。ガスエンジン５に、燃料と酸素の混合ガスを供給し、ピストン８により圧縮した後に燃料と酸素とを点火燃焼して高温高圧の排ガスを生成し、ガスエンジン５で生成された排ガスを冷媒とするように構成する。冷媒配管１の凝縮器２の下流側で膨張弁３の上流側の箇所に、排ガスの余剰分を系外に排出する排出機構９を備える。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を循環する閉回路を構成する冷媒配管に、凝縮器と膨張弁と蒸発器とをその順に設け、前記蒸発器の下流側で前記凝縮器の上流側の箇所に、圧縮した後に燃料と酸素とを点火燃焼して高温高圧の排ガスを生成する圧縮燃焼装置を設け、前記蒸発器の下流側と前記圧縮燃焼装置の吸気側とを接続するとともに前記凝縮器の上流側と前記圧縮燃焼装置の排気側とを接続して前記圧縮燃焼装置で生成された排ガスを冷媒とするように構成し、かつ、前記冷媒配管に、排ガスの余剰分を系外に排出する排出機構を備えたことを特徴とするヒートポンプサイクル。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプサイクルにおいて、
冷媒が二酸化炭素であり、燃料が炭化水素系燃料または炭化水素系燃料に水素を混合したものであるヒートポンプサイクル。
【請求項３】
請求項１また２に記載のヒートポンプサイクルにおいて、
圧縮燃焼装置に、植物の光合成により得た酸素と二酸化炭素との混合物を供給するものであるヒートポンプサイクル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温熱や冷熱を得るためのヒートポンプサイクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヒートポンプサイクルでは、図６の概略構成図（この図は、特許文献１の図５を簡略化した図である）に示すように、冷媒を循環する閉回路を構成する冷媒配管０１に、圧縮機０２と凝縮器０３と膨張弁０４と蒸発器０５とをその順に設け、圧縮機０２にエンジン０６を伝動機構０７を介して連動連結して構成されている。図中０８はアキュムレータを示している（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１２１９４６号公報（図５、段落００５０）
【０００４】
また、エンジンで発電機を駆動して発電した発電電力とか発電所で得られた発電電力などで、圧縮機に連動連結した電動モータを駆動するように構成したものなどがあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンと圧縮機の両方、更には電動モータが必要で、イニシャルコストが高くつく欠点があった。また、エンジンと圧縮機それぞれでの動力損失と伝動機構での動力損失があり、発電機と電動モータを用いる場合には更に動力損失が加わり、全体としての動力損失が大きい欠点があった。
【０００６】
また、エンジンで発生する熱をヒートポンプサイクルに利用する場合に、エンジンからの熱を回収する熱交換器と、回収した熱をヒートポンプサイクルに伝えるための熱交換器が必要であり、設備的に高価になるとともに伝熱ロスにより熱損失が大きい欠点があった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、動力損失および熱損失の少ないヒートポンプサイクルを提供することを目的とし、請求項２に係る発明は、系内への空気の侵入を防止してＮＯｘの発生を回避できるようにすることを目的とし、請求項３に係る発明は、供給する酸素を安価にして得られるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明のヒートポンプサイクルは、上述のような目的を達成するために、
冷媒を循環する閉回路を構成する冷媒配管に、凝縮器と膨張弁と蒸発器とをその順に設け、前記蒸発器の下流側で前記凝縮器の上流側の箇所に、圧縮した後に燃料と酸素とを点火燃焼して高温高圧の排ガスを生成する圧縮燃焼装置を設け、前記蒸発器の下流側と前記圧縮燃焼装置の吸気側とを接続するとともに前記凝縮器の上流側と前記圧縮燃焼装置の排気側とを接続して前記圧縮燃焼装置で生成された排ガスを冷媒とするように構成し、かつ、前記冷媒配管に、排ガスの余剰分を系外に排出する排出機構を備えて構成する。
圧縮燃焼装置としては、圧縮した後に燃料と酸素とを点火燃焼して高温高圧の排ガスを生成するものであれば良く、汎用のガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービンなどを用いることができる。
【０００９】
（作用・効果）
請求項１に係る発明のヒートポンプサイクルの構成によれば、圧縮した後に燃料と酸素とを点火燃焼して高温高圧の排ガスを生成する、ガスエンジンやガスタービンなどの圧縮燃焼装置の圧縮作用による排気と吸気作用を利用して、圧縮機と同じ作用を行わせ、余剰分の排ガスは、液化した後にあるいはガス状態で系外に排出し、生成した排ガスを冷媒としてヒートポンプサイクルを構成することができる。
したがって、従来のようなエンジンと圧縮機の両方、更には電動モータなどといった複数の装置と伝動機構が不要になり、イニシャルコストを低減できるとともに動力損失を少なくできる。
また、圧縮燃焼装置からの排ガスを冷媒として排ガスの熱を直接取り込むから、熱をヒートポンプサイクルに利用するための熱交換器が不要になり、設備的に安価にできるとともに熱損失を少なくできる。
更に、圧縮燃焼装置から多量に生成される排ガスを冷媒とするから、系内から冷媒が洩れたとしても、次々と補充されることになり、冷媒の洩れに起因する動作不良を招かずに安定した運転を行うことができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載のヒートポンプサイクルにおいて、
冷媒が二酸化炭素であり、燃料を炭化水素系燃料または炭化水素系燃料に水素を混合したもので構成する。
【００１１】
（作用・効果）
請求項２に係る発明のヒートポンプサイクルの構成によれば、冷暖房や給湯に利用する場合に、その多用される温度領域が０〜１００℃であることに着目し、更に、その温度範囲内で系内圧力を大気圧よりも高くできる冷媒および燃料を考察し、二酸化炭素を冷媒とし、炭化水素系燃料または炭化水素系燃料に水素を混合したものを燃料とした。
したがって、冷媒回路内の圧力を大気圧よりも高くできるから、冷媒回路内への空気の侵入を防止でき、ＮＯｘの発生を回避できる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１また２に記載のヒートポンプサイクルにおいて、
圧縮燃焼装置に、植物の光合成により得た酸素と二酸化炭素との混合物を供給するもので構成する。
【００１３】
（作用・効果）
請求項３に係る発明のヒートポンプサイクルの構成によれば、植物の光合成により得た酸素と二酸化炭素との混合物を、圧縮燃焼装置に必要な酸素として利用する。
したがって、供給する酸素を安価にして得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るヒートポンプサイクルの第１実施例を示す概略構成図であり、冷媒を循環する閉回路を構成する冷媒配管１に、凝縮器２と膨張弁３と蒸発器４とがその順に設けられ、蒸発器４の下流側で凝縮器２の上流側の箇所に、圧縮燃焼装置としてのガスエンジン５が設けられ、蒸発器４の下流側とガスエンジン５の吸気側とが接続されるとともに凝縮器２の上流側とガスエンジン５の排気側とが接続されている。
【００１５】
ガスエンジン５に混合器６が接続され、燃料と酸素の混合ガスをシリンダ７内に供給するように構成され、ピストン８により圧縮した後に燃料と酸素とを点火燃焼して高温高圧の排ガスを生成し、ガスエンジン５で生成された排ガスを冷媒とするように構成されている。
【００１６】
冷媒配管１の凝縮器２の下流側で膨張弁３の上流側の箇所に、排ガスの余剰分を系外に排出する排出機構９が備えられている。排出機構９は、図２の要部の拡大断面図に示すように、凝縮器２で液化した冷媒液を溜める受液器１０に、その受液器１０内の液面レベルを検出するレベルセンサ１１を設け、受液器１０に接続された排液管１２に開閉弁１３を設け、レベルセンサ１１で液面を検出するに伴って開閉弁１３を開いて排ガスの余剰分を液状態で排出し、受液器１０内の液面レベルを一定に維持するように構成されている。
【００１７】
混合器６には、炭化水素系燃料または炭化水素系燃料に水素を混合したものが燃料として供給され、酸素との混合ガスを点火燃焼して生成する二酸化炭素（炭酸ガス）を冷媒とするように構成されている。
ガスエンジン５におけるピストン８のストロークが小さく、すなわち、ガスエンジン５の膨張比は小さく設計され、二酸化炭素を凝縮するに必要な圧力を確保できるように設定されている。膨張比が大きいと二酸化炭素を凝縮できないからである。
【００１８】
上記構成により、凝縮器２を室内側とし、蒸発器４を室外側とすることにより、凝縮器２で得られる温熱により暖房や給湯を行うことができる。また、凝縮器２を室外側とし、蒸発器４を室内側とすることにより、蒸発器４で得られる冷熱により冷房や冷凍を行うことができる。
【００１９】
図３は、本発明に係るヒートポンプサイクルの第２実施例を示す概略構成図であり、第１実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、圧縮燃焼装置として、ガスエンジン５に代えて、圧縮機２１とタービン２２と燃焼器２３とから成るガスタービン２４が用いられ、燃焼器２３に酸素と燃料とが供給されるとともに、蒸発器４の下流側とガスタービン２４の吸気側とが接続されるとともに凝縮器２の上流側とガスタービン２４の排気側とが接続されている。他の構成は第１実施例と同じであり、同じ番号を付すことによりその説明は省略する。
【００２０】
図４は、本発明に係るヒートポンプサイクルの第３実施例を示す概略構成図であり、第１実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、ガスエンジン５の排気側で凝縮器２の上流側箇所において、冷媒配管１にボイラー３１が設けられるとともに、そのボイラー３１に給水蒸発管３２が導入され、凝縮器２で得られる温熱を暖房に利用しながら、ボイラー３１で得られる蒸気を他用途に利用するといったことができるようになっている。他の構成は第１実施例と同じであり、同じ番号を付すことによりその説明は省略する。
【００２１】
前述実施例において、燃料と混合する酸素としては、液化天然ガス（ＬＮＧ）を気化して都市ガスを得るラインを利用して安価に製造されたものが用いられる。
すなわち、図５の液体酸素製造プロセスの概略構成図に示すように、液化天然ガスタンク４１内の液化天然ガスが液化天然ガスポンプ４２により液化天然ガス気化器４３に送られ、液化天然ガス気化器４３には、海水ポンプ４４により海水が供給されるように構成されている。
【００２２】
液化天然ガスポンプ４２と液化天然ガス気化器４３との間に熱交換器４５が設けられるとともに、熱交換器４５に、ブロアー４６を介装した空気供給管４７が伝熱可能に導入され、空気供給管４７に液体酸素タンク４８が接続され、液化天然ガスの冷熱（−１６０℃）を利用して、空気中の酸素のみを液化させて窒素ガスを排出し、液体酸素を液体酸素タンク４８内に回収貯留するように構成されている。
この構成によれば、酸素を安価にして製造できる利点がある。また、都市ガスの製造面から見れば、海水ポンプ４４による海水供給量が減少し、都市ガス製造コストの低減を図ることができる利点を有している。
【００２３】
また、樹木などの植物を、透光性のテントで広範囲にわたって覆い、植物の光合成により発生する酸素と二酸化炭素との混合物を回収し、得られた酸素と二酸化炭素との混合物を、混合器６に供給する酸素として用いるようにしても良い。
この構成による場合も、酸素を安価にして製造できる利点がある。
【００２４】
上記実施例では、排出機構９を、冷媒配管１の凝縮器２の下流側で膨張弁３の上流側の箇所に設け、排ガスの余剰分を液状態で系外に排出するように構成しているが、他の箇所に設けても良く、また、ガス状態で排出するものでも良い。
【００２５】
上述実施例のガスエンジン１としては、汎用のガスエンジンやディーゼルエンジンやスターリングエンジンなど各種のガスエンジンを用いることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明のヒートポンプサイクルによれば、ガスエンジンヤガスタービンなどの、圧縮した後に燃料と酸素とを点火燃焼して高温高圧の排ガスを生成する圧縮燃焼装置の圧縮作用による排気と吸気作用を利用して、圧縮機と同じ作用を行わせ、余剰分の排ガスは、液化した後にあるいはガス状態で系外に排出し、生成した排ガスを冷媒としてヒートポンプサイクルを構成することができるから、従来のようなエンジンと圧縮機の両方、更には電動モータなどといった複数の装置と伝動機構が不要になり、イニシャルコストを低減できるとともに動力損失を少なくできる。
また、圧縮燃焼装置からの排ガスを冷媒として、排ガスの熱を直接取り込むから、熱をヒートポンプサイクルに利用するための熱交換器が不要になり、設備的に安価にできるとともに熱損失を少なくできる。
更に、圧縮燃焼装置から多量に生成される排ガスを冷媒とするから、系内から冷媒が洩れたとしても、次々と補充されることになり、冷媒の洩れに起因する動作不良を招かずに安定した運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒートポンプサイクルの第１実施例を示す概略構成図である。
【図２】第１実施例の排出機構の要部の拡大断面図である。
【図３】本発明に係るヒートポンプサイクルの第２実施例を示す概略構成図である。
【図４】本発明に係るヒートポンプサイクルの第３実施例を示す概略構成図である。
【図５】液体酸素製造プロセスを示す概略構成図である。
【図６】従来例のヒートポンプサイクルを示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…冷媒配管
２…凝縮器
３…膨張弁
４…蒸発器
５…ガスエンジン（圧縮燃焼装置）
９…排出機構
２４…ガスタービン（圧縮燃焼装置）
【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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【図６】
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