(57)【要約】第１の圧力の作動流体を気化させ、気化した作動流体を第２のより高圧へと圧縮（１６）し、圧縮された作動流体を液化装置において液化（１８）させる第１の部分（１０）と、液体の作動流体を第２の圧力よりも高い第３の圧力へと圧縮（１１００）し、第３の圧力へと圧縮された作動流体を気化（１１０２）させ、気化した作動流体を電流（１１０８）を生成すべく第３の圧力よりも低い圧力へと緩和（１１０６）し、気化及び緩和後の作動流体を液化装置において液化（１８）させる第２の部分とを備えているヒートポンプである。【選択図】図１Ｄ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧力の作動流体を気化（１０）させ、気化した作動流体を第２のより高圧へと圧縮（１６）し、圧縮された作動流体を液化装置（１８）において液化（１８）させる第１の部分と、
液体の作動流体を第２の圧力よりも高い第３の圧力へと圧縮（１１００）し、第３の圧力へと圧縮された作動流体を気化（１１０２）させ、気化した作動流体を電流を生成すべく緩和（１１０６）し、気化及び緩和後の作動流体を前記液化装置（１８）において液化させる第２の部分と
を備えているヒートポンプ。
【請求項２】
前記第１の部分が、前記気化した作動流体を圧縮するために、前記第２の部分又は外部の電力供給網から来る電流を使用するように構成され、
前記第２の部分が、電流の少なくとも一部を外部の電力供給網へと送るように構成されている請求項１に記載のヒートポンプ。
【請求項３】
作動流体が水である請求項１に記載のヒートポンプ。
【請求項４】
前記第１の部分が、２０ｈＰａよりも小さい第１の圧力の蒸発器（１０）を生成し、前記第１の圧力を上回ること５ｈＰａ超の第２の圧力への圧縮を生成するように構成されている請求項１、２又は３に記載のヒートポンプ。
【請求項５】
前記第２の部分が、０．２ＭＰａよりも高い第３の圧力への圧縮を行うように構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項６】
前記第２の部分が、前記液化装置（１８）から由来する液化後の作動流体を第３の圧力（１１００）へと圧縮するように構成されている請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項７】
前記第２の部分が、第３の圧力へと圧縮された前記液体の作動流体を、一次エネルギー源（１１０２）を使用しつつ気化させるように構成されており、
前記一次エネルギー源は、太陽集熱器の熱放散手段の燃焼プロセスの廃ガス流を含んでいる請求項１〜６のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項８】
前記液化装置（１８）が、２つの供給配管を備えており、第１の供給配管が前記第１の部分のダイナミック型圧縮機へ接続され、第２の供給配管が前記第２の部分のタービン（１１０６）へ接続されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項９】
カプラ（１１１０）が設けられており、
該カプラ（１１１０）が、入力側に２つの供給配管を有しており、第１の供給配管が前記第１の部分のダイナミック型圧縮機（１６）へ接続され、第２の供給配管が前記第２の部分のタービン（１１０６）へ接続されており、
該カプラ（１１１０）が、出力側において前記液化装置（１８）へ接続されており、
該カプラ（１１０）が、前記第１の供給配管もしくは前記第２の供給配管を前記液化装置（１８）へ接続し、又は両方の供給配管を同時に前記液化装置（１８）へ接続するように構成されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１０】
制御信号に応答して前記第２の部分のタービン（１１０６）の電流の出力を前記第１の部分のダイナミック型圧縮機（１６）の電気エネルギーの入力へと接続するためのコントローラを備えている請求項１〜９のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１１】
前記第２の部分が、液体ポンプ（１１００）と、熱源へと接続できる蒸発器（１１０２）と、電流をもたらすためのタービン（１１０６）と、前記液化装置（１８）とを備えており、前記熱源が、作動流体が第３の圧力において気化するような大きさとされている請求項１〜１０のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１２】
前記第１の部分が、熱源へと接続できる蒸発器（１０）と、電流を消費するように構成されたダイナミック型圧縮機（１６）と、前記液化装置（１８）とを備えており、蒸発器（１０）に接続される前記熱源が、作動流体が第１の圧力において気化するような大きさとされている請求項１〜１１のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１３】
前記蒸発器（１００）が、地下水、海水、川の水、湖水又は塩水の形態で環境に存在する水を気化させるように構成され、
前記液化装置（１８）が、液化させた水を前記蒸発器、土壌、又は水処理プラントへと送るように構成されている請求項１〜１２のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１４】
前記圧縮機（１６）が、作動蒸気を２５ｈＰａよりも高い作動圧力へと圧縮するように構成されている請求項１〜１３のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１５】
前記ダイナミック型圧縮機が、ラジアルフロー圧縮機として構成されている請求項１〜１４のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１６】
前記蒸発器（１０）が、気化室（１００）へ接続された揚水管（１０２）を備えており、該揚水管（１０２）の一端が液体で満たされた作動液体用容器（１１６）へ接続され、該揚水管（１０２）の他端が重力の作用によって気化室（１００）内に気化圧力がもたらされるように気化室（１００）へ接続されている請求項１〜１５のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１７】
前記揚水管（１０２）が８ｍを超える長さを有するように構成されている請求項１６に記載のヒートポンプ。
【請求項１８】
前記蒸発器が、上流の作動流体の圧力を低下させ、そのプロセスにおいて作動流体からエネルギーを抽出するタービン（１５０）を備えており、
該タービン（１５０）が、下流の作動流体を気化室内に存在する圧力から上流の作動流体の圧力にするためのポンプ（１５２）へ作用可能に接続されており、
この作用的接続（１５４）は、タービンが抽出したエネルギーの少なくとも一部をポンプ（１５２）が使用するように構成されている請求項１〜１７のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１９】
前記蒸発器（１０）が、
気化室において気化室への供給配管の直径の少なくとも３倍へと広がっている膨張器（１０８）、
膨張器（１０８）の縁を越えてあふれ出る作動液体を受け取るように構成された受け取り装置（１１０）、及び
あふれ出る作動液体を運び去るように構成されたドレイン手段（１１２）を備えている請求項１〜１８のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項２０】
前記ドレイン手段（１１２）が、流れ制御手段（１１４）へ接続され、
該流れ制御手段（１１４）を、前記受け取り装置（１１０）にあふれ出る作動液体の水位を所定の範囲内に保つように制御することができる請求項１９に記載のヒートポンプ。
【請求項２１】
前記蒸発器（１０）が、気化させるべき水に溶存しているガスの少なくとも一部を、気化室を介して圧縮機によって吸い込まれることがないように、気化させるべき水から取り除くように構成された気体分離器を備えている請求項１〜２０のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項２２】
前記気体分離器が、前記取り除いた分のガスを、気化していない水によって運び去られるよう、気化していない水へと送るように配置されている請求項２１に記載のヒートポンプ。
【請求項２３】
前記蒸発器（１０）が、
気化室（１００）において気化室の外側のドレイン（１１２）の直径の少なくとも３倍へと広がっている膨張器（２００）、
気化室へと供給された作動液体を受け取るように構成された受け取り装置、及び
前記受け取り装置に地下水を供給するための流入手段
を備えており、
前記膨張器が、作動流体が大きな直径を有している膨張器の縁を越えて小さい直径を有している膨張器の領域へと流れ、そこから排水路を介して流れ出るように、前記気化室に配置されている請求項１〜１８のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項２４】
前記液化装置が、気体分離器（２２０）、（２２２）を備えており、該気体分離器が、液化装置に蓄積する、水蒸気とは異なるガスを分離器の空間（２２０）から排出する請求項１〜２３のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項２５】
前記液化装置（１８）が、液化した作動液体を排出するためのドレイン（２２）を備えており、
該ドレイン（２２）が、前記蒸発器において気泡気化のための核生成効果をもたらすための部分（２０４）を、該蒸発器内に備えている請求項１〜２４のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項２６】
前記液化装置からの水のためのドレインの一部分（２０４）が、少なくとも核形成のための核生成効果が一般的パイプ形態のドレインの滑らかな表面と比べて増加するような表面粗さを有する粗い領域（２０６）を含んでいる請求項１〜２５のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項２７】
前記ドレイン（２２）が、ノズル開口（２３４）を備えているノズルパイプ（２３０）へと接続されており、
ノズル開口（２３４）が、ノズルパイプ（２３０）内に位置する作動流体を前記蒸発器内に位置する気化させるべき水へと送り込むことで、該蒸発器における気泡気化のために核生成効果をもたらす請求項２５又は２６に記載のヒートポンプ。
【請求項２８】
前記蒸発器が、熱交換器（２３６）と、該熱交換器への供給のための分岐管（２３８）と、ノズル開口（２３４）を備えているノズルパイプ（２３０）に接続された熱交換器ドレインとを備えており、
前記熱交換器（２３６）が、入力側において、液化装置のドレイン（２２）へと接続され、液化装置のドレイン（２２）によって送り出される液体の暖かさが、前記ノズルパイプ（２３０）へと供給される作動流体へと伝えられて、蒸発器における気泡気化のために核生成効果がもたらされる請求項２５又は２６に記載のヒートポンプ。
【請求項２９】
前記液化装置（１８）が、液化した作動液体を排出するためのドレイン（２２）を備えており、
該ドレインが、接続位置（１９４）において揚水管（１０２）又は戻り流パイプ（１１３）へと接続され、接続位置（１９４）において、揚水管内又は戻り流パイプ（１１３）内の液体の圧力がドレイン（２２）に存在する圧力以下となっている請求項１６、１７又は１８のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項３０】
前記液化装置（１８）が、液化した作動液体を排出するためのドレイン（２２）と圧力補償手段（１９２）を備えており、
前記該ドレインは接続位置（１９４）において揚水管（１０２）又は戻り流パイプ（１１３）へと接続されており、
前記圧力補償手段（１９２）は前記液化装置（１８）からのドレイン（２２）と前記接続位置（１９４）との間に配置され、かつ前記圧力補償手段（１９２）は前記液化装置（１８）から排出される水の圧力を、水が前記揚水管（１０２）又は戻り流パイプ（１９２）へと進入するように制御するように構成されている請求項１６、１７、１８又は２９のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項３１】
前記液化装置（１８）が、該液化装置から排出される水の圧力を、排出される水が下水道へと進入でき、あるいは土壌へと浸透できるような圧力まで高めるように構成されたポンプ（１９２）を備えたドレイン（２２）を備えている請求項１〜３０のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項３２】
前記圧縮機（１６）が、ラジアルフローホイール、半軸流ホイール、軸流ホイール、又はプロペラとして構成され、作動蒸気を圧縮すべく駆動することができる回転可能なホイールを備えている請求項１〜３１のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項３３】
前記液化装置（１８）が少なくとも液化装置の水（１８０）によって途中まで満たすことができ、かつ最低レベルを上回る水位を保つように構成されている液化装置室を備えている請求項１〜３２のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項３４】
前記液化装置（１８）が、圧縮機（１６）の出力へと接続された蒸気供給配管（１９８）を備えており、該蒸気供給配管が、蒸気が最新の水位の直下で水（１８０）へと進入できるように水（１８０）の中に配置されている請求項３３に記載のヒートポンプ。
【請求項３５】
前記液化装置（１８）が、圧縮された蒸気が液化装置内の水面の下方に配置されたパイプを介して液化装置へと送られるように構成されており、前記パイプが、ノズル開口を備えており、蒸気が該ノズル開口によって定められる領域を介して液化装置内の水へと進入する請求項３４に記載のヒートポンプ。
【請求項３６】
前記液化装置が、突き出しているノズル開口（２１２）を備えたノズル板（２１０）を備えており、
該ノズル板が、液化装置内の水（１８０）の水位が突き出しているノズル開口（２１２）と該ノズル板（２１０）との間に位置するように液化装置内に配置されている請求項３４に記載のヒートポンプ。
【請求項３７】
前記液化装置（１８）が、冷たい作動液体を凝縮点へと運ぶため、又は熱を冷たい作動液体へと運ぶために、液化した作動液体を循環させる循環ポンプ（２０２）を備えている請求項１〜３６のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項３８】
前記液化装置が、暖房用の前進流（２０ａ）と、液化装置の水（１８０）への暖房の戻り流（２０ｂ）とを備えている請求項１〜３７のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項３９】
暖房の戻り流（２０ｂ）の一部分にタービン（３１０）が配置されており、
該タービン（３１０）によって暖房システム（３００）内の高圧が液化装置（１８０）の水（１８０）の低い圧力へ下げられ、このプロセスにおいて暖房用の水からエネルギーが抽出され、
さらに該タービン（３１０）が、暖房用の水を液化装置における低い圧力から暖房システム（３００）における高圧にするためのポンプ（３１２）へ作用可能に接続されており、この作用的接続（３１４）はタービン（３１０）が抽出したエネルギーの少なくとも一部をポンプ（３１２）が使用するように構成されている請求項１〜３８のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項４０】
前記液化装置（１８）が、暖房システム（３００）と液化装置とを液体に関して切り離すための熱交換器を備えている請求項１〜３９のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項４１】
前記液化装置（１８）が、狭い開口及び広い開口を備える膨張器（２００）を備えており、
循環ポンプ（２０２）が前記狭い開口内に配置され、圧縮された蒸気を前記広い開口（１９８）へと送ることができるように、前記膨張器が液化装置の内部に配置されている請求項１〜４０のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項４２】
前記圧縮機（１６）が、互いに前後に配置された複数のダイナミック型圧縮機によって構成されており、作動蒸気が第１のダイナミック型圧縮機（１７２）によって中間の圧力へと圧縮され、最後のダイナミック型圧縮機（１７４）によって作動圧力へと圧縮される請求項１〜４１のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項４３】
互いに前後に配置された少なくとも２つのダイナミック型圧縮機が、互いに反対方向の回転方向にて駆動される軸流ホイールを備えている請求項４２に記載のヒートポンプ。
【請求項４４】
１つ以上の熱交換器（１７０）が、作動蒸気から熱を取りだしてその熱で水を加熱するために、第１のダイナミック型圧縮機（１７２）又はさらなるダイナミック型圧縮機（１７４）の下流に配置されている請求項４２に記載のヒートポンプ。
【請求項４５】
前記熱交換器が、作動蒸気の温度を、最大で、先立つ圧縮機段（１７２）の前の温度よりも高温へと低下させる請求項４４に記載のヒートポンプ。
【請求項４６】
前記液化装置、前記蒸発器又は前記圧縮機における騒音を少なくとも６ｄＢ減衰させるように構成された遮音（２０８）をさらに備えている請求項１〜４５のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項４７】
目標温度を維持し、実際の温度を検出し、目標温度が実際の温度よりも高い場合に前記圧縮機（１６）の出力圧力又は出力量を大きくし、目標温度が実際の温度よりも低い場合に出力圧力又は出力量を小さくするように前記圧縮機を制御する制御部（２５０）を備えている請求項１〜４６のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項４８】
少なくとも前記気化室、前記圧縮機のハウジング、前記液化装置のハウジング又は前記ダイナミック型圧縮機のラジアルフローホイールが、プラスチックで作られている請求項１〜４７のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項４９】
前記ダイナミック型圧縮機（１６）が、１つ以上の内側半径から１つ以上の外側半径まで延びる複数の羽根（２６２、２７２、２７４、２７６）を備えているラジアルフローホイール（２６０）を備えたラジアルフロー圧縮機を備えており、前記羽根が、前記ラジアルフローホイールに関して、該ラジアルフローホイールの異なる半径（Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、ｒ1）から外側へと延びている請求項１〜４８のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項５０】
少なくとも１つの羽根（２７２）が、前記ラジアルフローホイール（２６０）に関して半径（ｒW）から外側へと延びている２つの羽根（２６２）の間に配置され、該少なくとも１つの羽根（２７２）が、前記ラジアルフローホイール（２６０）に関してより大きい半径（Ｒ1）から外側へと延びている請求項４９に記載のヒートポンプ。
【請求項５１】
前記ラジアルフローホイール（２６０）が、ベース（２６６）及びカバー（２６８）を備えており、該ラジアルフローホイール（２６０）において他の羽根（２６２）よりも大きな半径（Ｒ1）から外側へと延びている少なくとも１つの羽根（２７２）が、前記カバー（２６８）及び前記ベース（２６６）の両方に一体に接続されている請求項４９又は５０に記載のヒートポンプ。
【請求項５２】
熱を移動させる方法であって、
第１の部分を動作させるステップ又は第２の部分を動作させるステップを含んでおり、
前記第１の部分を動作させるステップは、第１の圧力の作動流体を気化させるステップ、気化した作動流体を第２のより高圧へと圧縮するステップ、及び圧縮された作動流体を液化装置（１８）において液化させるステップを含んでおり、
前記第２の部分を動作させるステップは、液体の作動流体を第２の圧力よりも高い第３の圧力へと圧縮するステップ、第３の圧力へと圧縮された作動流体を気化させるステップ、気化した作動流体を電流を生成すべく第３の圧力よりも小さい圧力へと緩和するステップ、ならびに気化及び緩和後の作動流体を液化装置（１８）において液化させるステップを含んでいる、熱を移動させる方法。
【請求項５３】
建物を暖房するための小規模な発電装置であって、
水を０．１ＭＰａを超える第１の圧力へと圧縮する水ポンプ（１１００）、
前記圧縮された水を、燃焼プロセス又は太陽集熱器からの一次エネルギーを使用して気化させ、第１の圧力の水蒸気をもたらす蒸発器（１１０２）、
電流を生成するためのタービン（１１０６）であって、電流を出力する際に水蒸気を５０ｋＰａよりも低い第２の圧力にするように構成されているタービン（１１０６）、及び
前記冷やされた水蒸気を液化させるための液化装置（１８）であって、建物を暖房するための暖房用の前進流（２０ａ）及び暖房の戻り流（２０ｂ）を備えている液化装置
を備えている発電装置。
【請求項５４】
建物を暖房する方法であって、
水を０．１ＭＰａを超える第１の圧力へと圧縮するステップ、
前記圧縮された水を、燃焼プロセス又は太陽集熱器からの一次エネルギーを使用しつつ気化させ、第１の圧力の水蒸気をもたらすステップ、
前記第１の圧力の水蒸気を５０ｋＰａよりも低い第２の圧力へと緩和させることによって電流を生成するステップ、及び
前記電流を生成するステップによって出力された水蒸気を、建物を暖房するための暖房用の前進流（２０ａ）及び暖房の戻り流（２０ｂ）へと接続された液化装置の水において液化させるステップを含んでいる、建物を暖房する方法。
【請求項５５】
前記圧縮のステップにおいて圧縮される水の温度が８０℃よりも低く、前記気化のステップにおいて生成される蒸気の温度が１２０℃よりも高い請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
演算装置上で作動するときに請求項５２又は５３に記載の方法を実行するためのプログラムコードを有しているコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプに関し、特に発電性を有するヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、非特許文献１に記載されているような公知のヒートポンプを示している。このヒートポンプは、Ｒ１３４ａなどの作動物質が循環する密閉サイクルを備えている。第１の熱交換器８０及び蒸発器によって、作動物質を気化させるような大量の熱が、土壌又は地下水から取り出される。そしてエネルギーを豊富に含む作動物質が、吸入管を介して圧縮機によって引き出される。圧縮機８１において作動物質の圧縮が行われ、圧力及び温度が上昇する。この圧縮は、ピストン圧縮機によって実行される。圧縮されて高温を呈している作動物質が、次に第２の熱交換器８２、すなわち液化装置へと渡される。液化装置において、高圧及び高温になりやすい冷却剤を液化させるような大量の熱が、加熱又はプロセス水サイクルによって作動物質から取り出される。チョーク又は膨張器８３において、作動物質が膨張し、すなわち作動物質の圧力が緩められる。ここで、圧力及び温度が、作動物質が蒸発器において土壌又は地下水からのエネルギーを再び吸収できる程度にまで下げられる。以上でサイクルが完結し、再び開始される。
【０００３】
ここから理解できるとおり、作動物質が、土壌又は地下水から熱を取り上げ、それらの熱を液化装置において加熱サイクルへと与えるエネルギーの運搬体として機能する。このプロセス管理においては、熱又はエネルギーは、「それ自身では」より高温レベルからより低い温度レベルへと移動することしかできず、この反対は、外部からのエネルギーの供給（ここでは、圧縮機の駆動の仕事による）によって生じることができるという熱力学の第二法則が守られる。
【０００４】
図７は、典型的なｈ−ｌｏｇ（ｐ）線図（ｈはエンタルピーであり、ｐは物質の圧力である）を示している。低い圧力及び温度の値（ｐ１、Ｔ１）での作動物質の等圧気化が、図７の点４と点１の間で生じる。その際、熱Ｑ８１が供給される。
【０００５】
理想的には、作動物質の蒸気のｐ２という圧力への可逆の圧縮が、断熱圧縮機において、点１及び点２の間で実行される。このプロセスにおいて、温度がＴ２へと上昇する。そこでは、圧縮という仕事が供給されるべきである。
【０００６】
次いで、高圧ｐ２にて点２から点２’への作動物質の蒸気の等圧冷却が実行されて過熱が軽減され、次いで作動物質が液化する。全体として、熱Ｑ２５の放出が可能になる。
【０００７】
チョーク８３において、作動物質が高圧ｐ２から低い圧力ｐ１へ断熱的に下げられる。このプロセスにおいて、液体である作動物質の一部が気化し、温度が気化温度Ｔ１へと低下する。ｈ−ｌｏｇ（ｐ）線図において、このプロセスのエネルギー及び特性を、エンタルピーによって計算することができ、図７に示されているように図示することができる。
【０００８】
このように、ヒートポンプの作動流体が、蒸発器において周囲（すなわち、空気、水、廃水又は土壌）から熱を取り出す。液化装置が加熱物質を加熱するための熱交換器として機能する。温度Ｔ１は周囲の温度よりもわずかに低く、温度Ｔ２は必要とされる加熱温度よりもはるかに高く、温度Ｔ２’は必要とされる加熱温度よりもわずかに高い。求められる温度差が大きいほど、より多くの仕事を圧縮機によってもたらさなければならない。したがって、温度の上昇を可能な限り小さく保つことが望まれる。
【０００９】
したがって、図７に関して、作動物質の蒸気の圧縮は、理想的な場合には、点２までエントロピーｓ＝一定の曲線に沿って実行される。ここから点３までの間に作動物質が液化する。距離２−３の長さが、利用できる熱Ｑを表わしている。点３から点４へと作動物質は膨張し、点４から点１へ作動物質は気化する。距離４−１が熱源から取り出される熱を反映している。Ｔ−ｓ図と異なり、熱及び仕事の大きさを、ｈ−ｌｏｇ（ｐ）線図の距離として理解することができる。バルブ内、圧力及び吸入の配管内、圧縮機などにおける圧力損失が、ｈ−ｌｏｇ（ｐ）線図における循環プロセスの理想的な曲線を変化させ、プロセス全体の有効性を低下させる。
【００１０】
ピストン圧縮機においては、吸い込まれた作動物質の蒸気は、最初は圧縮機のシリンダの壁よりも低い温度を有しており、したがって圧縮機のシリンダの壁から熱を吸収する。圧縮が増すにつれ、作動物質の蒸気の温度は、最終的にシリンダの壁の温度を超えるまで高まり、作動物質の蒸気がシリンダの壁へ熱を与える。その結果、ピストンが再び蒸気を吸い込んで圧縮するとき、ピストンの壁の温度が、最初に作動物質の蒸気温度を下回り、次いで超える。これが一定の損失につながる。さらに、吸い込まれた作動物質の蒸気を過熱することは、圧縮機が液体の作動物質を吸い込まないために必要不可欠である。さらに、特に、潤滑のために欠くことができないピストン圧縮機の油サイクルにおける熱交換も不利である。
【００１１】
圧縮時の熱損失、バルブにおける圧力損失、ならびに液化のための圧力配管内及び液化装置内における流れの損失など、あらゆる不可逆のプロセスが、エントロピーを増大させ、すなわち回収できない熱を増加させる。さらに、温度Ｔ２も液化温度を超える。そのような「過熱エンタルピー」は望ましくない。その理由は、特にプロセスにおいて生じる高温が圧縮機の経年劣化、特にピストン圧縮機の潤滑油の経年劣化を加速するからであり、また、プロセスの有効性も低下するからである。
【００１２】
液化装置から出る低温の液化した作動物質は、圧縮前の温度及び圧力下の状態に比べて存在した余分なエネルギーを利用するために、理想的な循環サイクルという面では、例えばタービンなどのエンジンを介して膨張させられなければならないだろう。しかしこれには大きな費用が必要であるので、この手段は省略され、チョーク８３によって作動物質が低圧及び低温へ急激に下げられる。このプロセスにおいて作動物質のエンタルピーはほぼ同じままである。急激な圧力の低下により、作動物質はその温度を低下させるために部分的に気化しなければならない。必要な気化熱は超過温度を呈する作動物質から引き出されるのであり、熱源から取り出されるのではない。チョーク８３（図８）における膨張によって生じる損失全体が膨張損失と呼ばれる。これらは、温度Ｔの熱が温度Ｔ０の熱へ変換されることによるエネルギー損失である。これらの損失は、液体の作動物質が自身の温度Ｔの熱を温度Ｔよりも低温の媒体へ放出できるならば、少なくすることができる。この過冷却エンタルピーは、内部熱交換によって利用することができるが、設備に追加費用が必要になる。また、蒸気の圧縮において加熱温度Ｔ２が上昇し、それによって、達成される利益の一部が相殺されてしまうために、さらには装置及び潤滑油に加わる熱負荷が大きくなるために、内部熱交換は原理的に固有の限界を有している。結局のところ、過熱が蒸気の体積を増加させ、それによって体積あたりの熱出力を減少させる。この熱は、作動媒体の蒸気に含まれるすべての液滴を蒸気へと変換させるために必要な程度に限り、圧縮機へと流れる作動物質のそれら蒸気の予熱に利用される。
【００１３】
一般に、ｈ−ｌｏｇ（ｐ）線図の点１及び点４の間のエンタルピーの差と、点２及び点１の間のエンタルピーの差との比を、ヒートポンププロセスの経済的効率の指標と言うことができる。
【００１４】
現時点において一般的な作動物質は、Ｒ１３４ａであり、その化学式は、ＣＦ3−ＣＨ2Ｆである。この作動物質は、もはやオゾン層を傷めることはないにせよ、それでもなお、温室効果という点で、二酸化炭素よりも１０００倍も大きい影響を有している。しかしながら、作動物質Ｒ１３４ａは、約１５０ｋＪ／ｋｇという比較的大きいエンタルピー差を有しているため、広く使用されている。
【００１５】
この作動物質は、もはや「オゾンキラー」ではないにせよ、温室効果によって相当な被害を引き起こしかねないため、ヒートポンプサイクルの完全性に対し、作動物質の１分子たりともこの密封サイクルから逃がさないという趣旨の相当な要件を課す。この密閉性はヒートポンプの構築に相当なコスト高を招く。
【００１６】
また、京都議定書の次の段階が施行されるときまでに、Ｒ１３４ａは温室効果ゆえに２０１５年までに禁止されると考えなければならない。これまでのより大幅に不都合な物質も禁止されてきた。
【００１７】
したがって、既存のヒートポンプにおける不都合な点は、作動物質が有害であるという事実の他に、ヒートポンプサイクルにおける多数の損失ゆえに、ヒートポンプの効率係数が典型的には３倍を超えることがないという事実にもある。言い換えると、圧縮機のために使用されたエネルギーの２倍は、地下水又は土壌などといった熱源から取り出すことができる。圧縮機が電流によって駆動されるヒートポンプを考えると同時に、電流の生成における効率係数がおそらくは４０％であることを考えると、全体としてのエネルギーバランスに関して、ヒートポンプの使用ははなはだ疑問であることに気が付くであろう。一次エネルギー源に関して、熱エネルギーの１２０％＝３×４０％がもたらされる。バーナを用いる従来からの加熱システムが少なくとも９０〜９５％の効率係数を達成するので、ヒートポンプは大きな技術的、かつそれ故に金銭的な支出をともなって２５〜３０％の改善が達成されるにすぎない。
【００１８】
改善されたシステムは、一次エネルギーを圧縮機の駆動に使用する。その場合は、ガス又は油が燃やされ、燃焼によって放出されるエネルギーに対して圧縮機の定格が規定される。この方法における利点は、エネルギーバランスが実際にはよりプラスの方向になる点にある。その理由は、たとえ一次エネルギー源の約３０％を駆動のエネルギーとして利用できるにすぎなくても、この場合には約７０％の廃熱を加熱のためにも使用できる点にある。したがって、もたらされる加熱エネルギーは、一次エネルギー源の１６０％＝３×３０％＋７０％にのぼる。しかしながら、この方法における欠点は、たとえ家庭がもはや古典的な加熱システムを有していなくても、家庭に燃焼エンジン及び燃料貯蔵場所を必要とする点にある。エンジン及び燃料貯蔵場所のための費用も、やはり冷却剤が気候に対して有害であるがゆえに高度に密封されたサイクルであるヒートポンプのためになされる費用に加えられなければならない。
【００１９】
これらのことがすべて、ヒートポンプが他の種類の加熱システムとの競争において限られた成功しか収めてこなかったという結果をもたらしている。
【００２０】
結果として、ヒートポンプは、機械的なエネルギーが系へ入力され、より高温レベルにある熱エネルギーが出力されることを特徴とする。ヒートポンプの結果は、高温レベルでのエネルギーの出力が、少なくとも圧縮に使用される電気エネルギーよりも大きいときプラスである。このような関係においては、一次エネルギーの消費を基本として考えたときに、当然ながら、電気エネルギーの生成も、例えば燃焼プロセスにより、限られた効率係数でしか行われないことも考慮されなければならない。
【００２１】
他方、熱エネルギーが冷却プラントの密封サイクルにおいて冷媒が気化することによって熱源から取り出され、この熱エネルギーが機械的なエネルギーを使用して圧縮機によってより高温レベルへと移され、最終的に再び凝縮させられて、熱エネルギーが機械的エネルギーに加えてヒートシンクへと放出されるものもある。これもヒートポンプと称される。典型的には、使用される圧力は、大気圧に対して超過圧力である。
【００２２】
例えば原子力発電所などの大規模プラントにおいても、一次エネルギーが水を気化させるための熱へ変換される点で水が気化させられるのであり、その結果として蒸気タービンが駆動され、次いで蒸気タービンが発電機を駆動する。水蒸気が、巨大な冷却塔において凝縮させられ、水が回収される。電気的又は機械的なエネルギー及び廃熱がこのプロセスにおいて形成される。さらに、政治的な問題に加え、そのような発電所の本質的欠点は、莫大な製造コスト及び分散化した運転である。
【００２３】
特許文献１が、質量流束が熱交換器において加熱され、液体又は飽和蒸気として膨張装置へ供給されるヒートポンプ又は冷却装置の駆動方法を開示している。膨張装置が、蒸発器を経て吸い込まれた蒸気を圧縮する圧縮装置を駆動する。圧縮された蒸気がキャパシタへ供給される。膨張装置及び圧縮装置は機械的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第２７４５１２７号明細書
【非特許文献】
【００２５】
【非特許文献１】“Technische Thermodynamik”, Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen, 14th revised edition, Hanser Verlag, 2005, pp.278-279.
【非特許文献２】“Stroemungsmaschinen”, C.Pfleiderer, H.Petermann, Springer-Verlag, 2005, pp. 82-83
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明の目的は、効率的かつ柔軟な方法で使用することができるヒートポンプ及び小規模発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
この目的は、請求項１に記載のヒートポンプ、請求項５２に記載の熱を移動させる方法、請求項５３に記載の建物を暖房するための小規模発電装置、請求項５４に記載の建物の暖房方法、及び請求項５６に記載のコンピュータプログラムによって達成される。
【００２８】
本発明は、機械的なエネルギーを使用して蒸気を圧縮することによって比較的高温レベルにある熱エネルギーを得るための第１の部分を有しているヒートポンプを、液体の作動流体を圧縮し、比較的高圧下にある液体の作動流体を外部のエネルギー源を使用して気化させる第２の部分に、理想的に組み合わせることができるという知見にもとづいている。次いで、この高圧に加圧された蒸気が、タービンによって緩和され、電気エネルギーをもたらす。次いで、タービンを出る蒸気（低圧及び比較的低温にある）が、ヒートポンプの第１の部分においても液化装置として機能する同じ液化装置へ送られる。このように、本発明のヒートポンプは、３つの異なる圧力ゾーンを有している。第１の圧力ゾーンは、最も低い圧力を有するゾーンであり、作動流体が低圧、かつ、したがって低温で気化させられる。本発明の好ましい実施の形態においては、この低圧ゾーンの圧力は、２０ｈＰａ未満の値を呈する。
【００２９】
蒸気の圧縮は、第２のより高圧の圧縮された水蒸気をもたらす。蒸気の圧縮により蒸気の温度がより高温レベルへと上昇し、圧縮された蒸気の液化により蒸気から熱が抽出されて、その熱を例えば建物の暖房に使用することができる。第２の圧力は、第１の圧力よりも少なくとも５ｈＰａは高く、典型的には第１の圧力の約２倍ですらある。
【００３０】
第１の部分と異なり、ヒートポンプの第２の部分においては、蒸気ではなくて液体の作動流体が圧縮される。これを実現するのは、蒸気の圧縮とは対照的に、比較的低コストの装置で充分であり、すなわち典型的には、電力消費が数ワットの水ポンプで充分である。加圧された水が呈する第３の圧力は、０．５〜３ＭＰａになり、これは、水の場合には約１２０〜２３５℃の気化温度に相当する。
【００３１】
外部エネルギーが供給され、加圧された水が気化させられる。この外部エネルギーは、バーナの廃ガスの流れ又は太陽集熱器の熱放散である。その高温蒸気は、高圧で、例えば特に液化装置が呈する低圧の領域とくらべてきわめて高い（例えば、５００倍も高い）ものである。その高温蒸気はタービンによって低圧領域へ緩和される。その低圧領域は温度も低く、床下暖房システムへの供給に容易に使用することができる３０〜４０度程度の温度を呈する。
【００３２】
したがって、本発明によれば、ヒートポンプの第２の部分において、外部からもたらされるエネルギーが電流（この電流を電力供給網へ送ってもよく、ヒートポンプの第１の部分の圧縮機を駆動するために使用してもよく、又は一部を電力供給網へ送り、一部を圧縮機の駆動に使用してもよい）を生成するために使用される一方で、さらには熱エネルギーが液化装置において得られ、この熱エネルギーを建物の暖房に容易に使用することができる。タービンの出力に作動流体の蒸気が存在し、この蒸気が、温度及び圧力の特性に関して、第１の低い圧力を呈する圧力領域から圧縮によって生成される作動流体の蒸気に比較的類似している点が、とくに好都合である。
【００３３】
このように、本発明によれば、エネルギーが気化によって熱源から抽出される。このヒートポンプにとって、その熱源は太陽集熱器、薪オーブン、ペレットオーブン又は他の任意のバーナであることが可能である。このエネルギーの一部が機械的なエネルギーに変換され、残りが、液化の際にヒートシンクへ供給される。このヒートシンクは、例えば建物の暖房に好都合であるような、蒸気の圧縮にもとづくヒートポンプの典型的なヒートシンクと同じものである。
【００３４】
好ましくは、水が作動液体又は冷媒として使用される。低圧領域がヒートポンプの第１の部分によってすでに存在しており、この低圧領域が大きな圧力差が得られることを保証する。すなわち外部からの熱の供給により生成される蒸気が呈する高圧と、液化装置内に存在する低圧との間の大きな圧力差である。この低圧の領域は、使用されるプロセスを小規模で、すなわち建物の暖房に利用することを可能にするとともに、このように分散した方法ですべての利点とともに利用することを可能にする。
【００３５】
さらに、ヒートポンプの第１の部分において切り換えること、及びそれゆえに達成でき、一次エネルギー源に含まれている暖房エネルギーを３倍にすることが好ましい。これは、燃焼によって放出される熱が、水を加熱するために直接使用されるのではなく、高圧に加圧された水を気化させるために使用され、これが第２の圧力へ緩和されることで電流の生成をもたらし、次いでこの電流の少なくとも一部がヒートポンプの第１の部分において使用される蒸気を圧縮するために用いられることで達成される。
【００３６】
好ましい実施の形態においては、水が、第１及び第２の部分において使用される。今日において頻繁に使用されている作動物質Ｒ１３４ａと比べ、水はさらに、エンタルピー差に関しかなり大きい比を有している。エンタルピー差はヒートポンププロセスがいかに効果的であるかに関して重要であるが、水のエンタルピー差は約２５００ｋＪ／ｋｇに達し、Ｒ１３４ａの使用可能なエンタルピー差の約１６倍の大きさである。対照的に、消費されるべき圧縮機のエンタルピーは、動作点に応じて変わるが、わずかに４〜６倍の大きさである。
【００３７】
さらに、水は気候にとって有害でなく、すなわちオゾンキラーでもなく、温室効果を増大させることもない。このことが、ヒートポンプを大幅に簡単な方法で製作することを可能にする。なぜならば、サイクルの完結性に課される要件が高くないからである。それのみか、好ましくは、全く閉鎖プロセスにしないで、地下水又は外部熱源となる水を直接気化させる開放プロセスとすることさえできる。
【００３８】
好ましくは、蒸発器は、水が１８℃未満、好ましくは１５℃未満の温度で気化するよう、気化圧力が２０ｈＰａ（ヘクトパスカル）未満である気化室を備えるように構成される。北半球においては、典型的な地下水は、８〜１２℃の間の温度を有しており、したがって、地下水の気化によって地下水の温度の低下、したがって熱の取り出し（この熱で、床暖房システムなどといった建物の暖房システムを動作させることができる）を達成できるようにするために、地下水が気化するために２０ｈＰａ未満の圧力が必要である、
【００３９】
さらに、水は、水蒸気がきわめて大きな体積を占める点、及び水蒸気を圧縮するためにピストンポンプなどといった容積型の機械にもはや頼る必要がなく、ラジアルフロー圧縮機などといったダイナミック型圧縮機の形態の高性能の圧縮機（このような圧縮機は、その技術に関してきわめて制御性に富み、かつ、大量に存在しており、例えば小型のタービン又は自動車のターボ圧縮機としてこれまでに使用されてきているため、製造に関して費用対効率に優れる）を使用できる点で、好都合である。
【００４０】
容積型の機械と比べたとき、ダイナミック型圧縮機の系列の有名な代表は、例えばラジアルフローホイールを備えるターボ圧縮機の形態のラジアルフロー圧縮機である。
【００４１】
ラジアルフロー圧縮機又はダイナミック型圧縮機は、少なくともラジアルフロー圧縮機から出る出力圧力が、ラジアルフロー圧縮機への入力圧力よりも少なくとも５ｈＰａは高いような圧縮の水準を達成しなければならない。しかしながら、好ましくは、圧縮が、１：２よりも大きく、さらには１：３よりも大きい比を有する。
【００４２】
閉鎖サイクルにおいて典型的に使用されるピストン圧縮機と比べて、ダイナミック型圧縮機は、ダイナミック型圧縮機において存在する温度勾配によって、容積型の機械（ピストン圧縮機）（そのような静止の温度勾配が存在しない）に比べて、圧縮機の損失が大いに低減されるというという利点をさらに有している。とくに好都合な点は、油サイクルを完全になくすことができる点である。
【００４３】
さらに、寒い冬の日においても暖房システムに充分な前進流温度を達成するために、８〜１０倍という倍率を有さなければならない比較的高いレベルの圧縮を実現するために、多段のダイナミック型圧縮機がとくに好ましい。
【００４４】
好ましい実施の形態においては、地下水が前記低圧を有するようにされる完全な開放サイクルが使用される。地下水のために２０ｈＰａ未満の圧力を生成するための好ましい実施の形態は、単に気密な気化室へとつながる揚水管を使用することである。揚水管が９〜１０ｍの間の高さを乗り越えるならば、気化室は地下水が７〜１２℃の間の温度で気化するのに必要な低圧を有する。典型的な建物は少なくとも高さが６〜８ｍであり、多くの地域において地下水はすでに地表面の下方２〜４ｍに存在するため、このようなパイプの設置が、大きな追加の出費につながることはない。なぜならば、家の基礎よりもわずかに深く掘るだけでよく、典型的な建物の高さが、揚水管又は気化室が建物の上へと突き出さないほどすでに充分高いからである。
【００４５】
短い揚水管しか可能でない用途の場合には、揚水管の長さを、ポンプ／タービンの組み合わせによって容易に短縮することができ、そのようなポンプ／タービンの組み合わせは、タービンが高圧を低圧へ変換するために使用され、ポンプが低圧を高圧へ変換するために使用されるという事実によって、外部からの追加の仕事をわずかしか必要としない。
【００４６】
このように、一次熱交換器が使用されず、気化させられた地下水が作動蒸気又は作動物質として直接使用されるため、一次熱交換器損失というものがなくなる。
【００４７】
好ましい実施の形態においては、液化装置においても熱交換器が使用されない。代わりに、圧縮により加熱された水蒸気が液化装置内の暖房システムの水へ直接送り込まれ、水中で水蒸気の液化が生じるので、二次の熱交換器の損失もなくなる。
【００４８】
このようにして、好ましく使用される水蒸発器／ダイナミック型圧縮機／液化装置の組み合わせが、一般的なヒートポンプに比べて少なくとも６倍という効率係数を可能にする。すなわち、地下水から、圧縮に費やされる電気エネルギーの量の少なくとも５倍を取り出すことができ、したがって、たとえダイナミック型圧縮機が電流で運転される場合でも、一次エネルギーの供給源に関して、２４０％＝６×４０％という暖房エネルギーがもたらされる。これは、従来技術と比べて、少なくとも２倍の効率又は半分のエネルギーコストであることを示す。これは、気候に関係する二酸化炭素の排出にとくに当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１Ａ】本発明のヒートポンプの基本的なブロック図である。
【図１Ｂ】種々の圧力及びそれらの圧力に関する気化温度を説明するための表である。
【図１Ｃ】小規模発電装置の概略図である。
【図１Ｄ】一実施形態による第１の部分及び第２の部分を有しているヒートポンプの概略図である。
【図２】地下水、海水などで運転される第１の部分と、発電に使用することができる第２の部分とを有している本発明のヒートポンプの好ましい実施形態のブロック図である。
【図３Ａ】図２の液化装置の他の実施形態である。
【図３Ｂ】オフ動作時の逆流を減少させてなる液化装置の他の実施形態である。
【図３Ｃ】気体分離器を有する液化装置の概略図である。
【図４Ａ】図２の蒸発器の好ましい実施例である。
【図４Ｂ】液化装置のドレインを沸騰の補助に使用している蒸発器の他の実施形態である。
【図４Ｃ】地下水を沸騰の補助に使用するための熱交換器を有している蒸発器の他の実施形態である。
【図４Ｄ】横からの供給及び中央の排水を備えている蒸発器の他の実施形態である。
【図４Ｅ】好ましい寸法が表示された膨張器の概略図である。
【図５Ａ】揚水管の高さを短くするための蒸発器の他の実施例である。
【図５Ｂ】タービン／ポンプの組合せを備えた液化装置への暖房配管の接続の他の実現方法を示す実施例である。
【図６Ａ】互いに前後に配置された複数のダイナミック型圧縮機によって実行される圧縮機の概略図である。
【図６Ｂ】縦列の２つのダイナミック型圧縮機の回転数の設定を目標温度の関数として概略的に示した図である。
【図６Ｃ】本発明の好ましい実施形態によるダイナミック型圧縮機のラジアルフローホイールの概略上面図である。
【図６Ｄ】ラジアルフローホイールの半径に関する羽根のさまざまな延伸を説明するための概略断面図であり、ラジアルホイールの羽根が概略的にのみ示されている。
【図７】典型的なｈ−ｌｏｇ（ｐ）線図である。
【図８】図７の左手のサイクルを実行する公知のヒートポンプである。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照しつつ以下にさらに詳しく説明する。
【００５１】
図１Ｃ及び１Ｄならびに図２を参照して本発明の主題のさらに詳細な説明を提示する前に、本発明のヒートポンプの第１の部分を、図１Ａ及び１Ｂを参照して提示する。
【００５２】
図１Ａは最初に水蒸発器１０を備えている本発明のヒートポンプを示しており、蒸発器１０が、作動流体としての水を気化させ、出力側において、作動蒸気配管１２内に蒸気を生成する。蒸発器は、気化室（図１Ａには示されていない）を備えており、水が気化室において１５℃未満の温度で気化するよう、気化室内に２０ｈＰａ未満の蒸発圧力を生成するように構成されている。水は、好ましくは地下水であるか、土壌内もしくは収集パイプ内を自由に循環する塩水、すなわち特定の塩分を有する水であるか、又は川の水、湖水もしくは海水である。本発明によれば、あらゆる種類の水、すなわち石灰分を含む水、石灰分を含まない水、塩水、又は真水を、好ましく使用することができる。その理由は、すべての種類の水、すなわちこれらの「水物質」のすべてが、水の好都合な特性（水は、「Ｒ７１８」としても知られるが、ヒートポンププロセスのために使用できる６というエンタルピー差の比を有しており、これは、例えばＲ１３４ａなどの典型的に使用できるエンタルピー差の比の２倍超に相当する）を有しているからである。
【００５３】
水蒸気が、吸入管１２によって、例えば図１Ａに１６で示されているターボ圧縮機の形態のラジアルフロー圧縮機などのダイナミック型圧縮機を備える圧縮機／液化装置システム１４へと送られる。ダイナミック型圧縮機は、作動蒸気を少なくとも２５ｈＰａを超える蒸気圧へと圧縮するように構成されている。２５ｈＰａは、約２２℃の液化温度に相当し、これはすでに、少なくとも比較的暖かい日には、床暖房システムの充分な暖房システム前進流温度でありうる。より高い前進流温度を生成するために、３０ｈＰａを超える圧力を、ダイナミック型圧縮機１６を使用して生成することができる。３０ｈＰａの圧力は２４℃という液化温度を有し、６０ｈＰａの圧力は３６℃という液化温度を有し、１００ｈＰａの圧力は４５℃という液化温度に相当する。床暖房システムは、きわめて寒い日でも、４５℃の前進流温度を有する充分な暖房を提供できるように設計される。
【００５４】
ダイナミック型圧縮機は、圧縮された作動蒸気を液化させるように構成された液化装置１８へ接続されている。液化によって、作動蒸気に含まれているエネルギーが液化装置１８へもたらされ、前進流２０ａを介して暖房システムへ送られる。戻り流２０ｂを介して、作動流体が液化装置へ流れて戻る。
【００５５】
本発明によれば、高エネルギーの水蒸気から熱（熱エネルギー）をより低温の暖房水によって直接抽出することが好ましく、この熱（熱エネルギー）が、暖房システムの水によって取り上げられ、この水を加熱する。このプロセスにおいて、蒸気が液化し、さらに暖房サイクルに加わるような大量のエネルギーが蒸気から抽出される。
【００５６】
このように、液化装置又は暖房システムへの物質の導入が生じ、この導入はドレイン２２によって調節されるので、水蒸気、したがって凝縮物の不断の供給にもかかわらず液化装置の液化室の水位が、常に最大レベルの下方に保たれる。
【００５７】
すでに説明したとおり、開放サイクルをとること、すなわち熱源を呈する水を熱交換器なしで直接気化させることが好ましい。しかしながら、気化させるべき水を、最初に外部の熱源によって熱交換器を介して加熱してもよい。しかしながら、その場合は、この熱交換器が、やはり損失と装置費用を意味することを、考慮すべきである。
【００５８】
さらに、液化装置側に今までのところ必然的に存在していた第２の熱交換器のための損失を避けるために、そこでも媒体を直接使用することが好ましい。すなわち、床暖房システムを備える家を考慮する場合、蒸発器から来る水を床暖房システム内に直接循環させることが好ましい。
【００５９】
しかしながら、液化装置側に熱交換器を配置してもよい。そのような熱交換器は、前進流２０ａの供給を受けるとともに戻り流２０ｂを有しており、液化装置に存在する水を冷却し、したがって典型的には水である別の床暖房用液体を加熱する。
【００６０】
使用される作動媒体が水であり、地下水のうちの気化した部分のみがダイナミック型圧縮機へと送られるという事実から、水の純度は重要でない。液化装置及び場合によっては直接接続される床暖房システムと同じように、ダイナミック型圧縮機には常に蒸留された水が供給されるので、今日のシステムと比べると、システムの保守のための費用が少なくてすむ。言い換えると、システムには蒸留された水しか供給されず、したがってドレイン２２内の水が汚染されることがないため、システムは自浄式である。
【００６１】
さらに、ダイナミック型圧縮機は、航空機のタービンと同様に、圧縮された媒体を油などの問題ある物質に接触させることがないという特性を有していることに注意すべきである。それのみか、水蒸気が、タービン又はターボ圧縮機によってのみ圧縮され、水蒸気の純度に悪影響を及ぼす油又は他の媒体に触れることがなく、したがって汚染されることがない。
【００６２】
したがって、ドレインを通って排出される蒸留された水を、他の規制が妨げとならないのであれば、再び地下水へと容易に送り込むことができる。また、しかし、規制が許すのであれば、例えば庭又は空き地などに染み込ませても、あるいは下水道を介して廃水浄化プラントへと送ってもよい。
【００６３】
作動物質としての水とＲ１３４ａに比べて２倍に改善された有用なエンタルピー差の比との本発明の組合せ、ならびに結果として軽減されるシステムの密封性に課される要件（むしろ、開放システムが好ましい）、及び必要な圧縮倍率を純度に悪影響を及ぼすことなく効率的に達成できるダイナミック型圧縮機の使用よって、環境破壊に関して中立な効率的なヒートポンププロセスがもたらされる。このヒートポンププロセスは、水蒸気が液化装置において直接液化させられる場合には、ヒートポンププロセスの全体においてただ１つの熱交換器さえ必要でなくなるため、さらに効率的になる。
【００６４】
また、ピストン圧縮につきものの損失もなくなる。さらに、水の場合にはきわめて少なく、さもなければ絞りにおいて生じる損失を、気化プロセスを改善するために使用することができる。なぜならば、典型的には地下水の温度よりも高いドレイン温度を有しているドレイン水が、気化の効率を高めるために、後で図４Ａにおいて説明されるようなドレイン配管２０４の構造２０６によって蒸発器における気泡の気化を引き起こすために好都合に使用されるからである。
【００６５】
図１Ｃは、本発明のヒートポンプの第２の部分を示しているが、図１Ａに示した第１の部分を必要とせずに建物を暖房するための小型の発電装置として使用することも可能である。
【００６６】
特に、この第２の部分は、図１Ａによって示され、暖房用の前進流２０ａ及び暖房用の戻り流２０ｂへ接続された同じ液化装置１８を備えている。液化装置のドレイン２２は、本発明のヒートポンプの第２の部分によれば、もはや水路又は一次側へは供給されておらず、液化装置１８によって出力された水を例えば２ＭＰａの圧力へ高める水ポンプ１１００へ供給されている。この２ＭＰａの圧力は２０ｂａｒに相当する。水ポンプ１１００は、液体の圧縮のみを達成するため、水ポンプの働きによって水の温度が変化することはない。
【００６７】
水（広くは、液体）である作動流体は、簡単な方法で加圧できるため、必要とされる水ポンプは、電力消費が数ワット（１〜２ワットなど）である低コストのポンプでよい。
【００６８】
加圧された水は水蒸発器１１０２へ供給される。水蒸発器１１０２は、エネルギー供給の線１１０４によって概念的に示されているように、一次加熱（木材、木材ペレット、油、ガス、などのためのバーナなど）又は太陽集熱器からエネルギーを得る。高圧に加圧された水を気化させるために必要な高温を、燃焼プロセスによって容易に生成することができる。現代の太陽集熱器も、１５０℃よりも高温、又は約２００℃にもなる温度を容易にもたらす。これらの温度は、１６ｂａｒの圧力に保たれ、又は水ポンプ１１００によって１６ｂａｒの水準まで加圧された水を気化させるためには充分である。
【００６９】
したがって、高圧に加圧された高温の蒸気が水蒸発器１１０２の出力に存在し、この蒸気が、好ましくはステージタービンとして構成されるタービン手段によって緩和されるのによく適している。ステージタービンによる緩和を、対応する装置（例えば、公知の発電機）を使用しつつ電流へと変換することができ、この電流が電力供給線１１０８を介してタービン１１０６から出力される。このようにして、気化した作動流体が、タービン／発電機の組合せ１１０６（以下では、単に「タービン」と称する）の出力に存在する。この気化した作動流体は、低い第２の圧力を有しており、さらには液体の形態で存在する作動流体（凝縮又は液化によって液化装置に存在する）を加熱するために適した温度を有している。
【００７０】
タービン１１０６の出力に生成する蒸気によって液化装置１８内に放出されるこの熱エネルギーを、暖房用の前進流２０ａ及び／又は暖房用の戻り流２０ｂを介して建物内の暖房システムに伝えるために容易に使用することができる。建物内の暖房システムを熱交換器なしで機能させることができるが、それは、熱交換器によって液化装置内の液体から隔てられた液体サイクルをもたないラジエータ又は床下ヒータなどの暖房システムへ作動流体を液体の形態で直接供給する場合に可能である。
【００７１】
しかしながら、熱交換器を設けてもよく、それは、後で図１Ｄに関して説明されるように、水以外の作動流体が使用される場合に有用である。しかしながら、建物を暖房するための小型の発電装置においては、作動液体として水を使用することが好ましく、対応する圧力における水の気化温度に対応する圧力範囲を有することが好ましい。
【００７２】
規模に関する例が図１Ｃに示されている。水の体積流量が毎秒４ｍＬであり、液化装置のドレインが３６℃という温度を有すると仮定されている。したがって、液化装置における結果としての圧力は、図１Ｂに示されるとおり６０ｍｂａｒ又は６０ｈＰａである。６０ｍｂａｒの圧力を有する水が水ポンプ１１００によって２０ｂａｒ又は２ＭＰａの圧力とされるが、これは３３３倍に相当する。この圧力差は、本発明のプロセスを、電流を生成すべくタービン１１０６の駆動に使用するためには充分に大きい。一般に、５０倍を超える圧力差が、電気エネルギーの好都合な結果につながる。圧力差がきわめて大きな値をとることも、水ポンプ１１００がそれに合わせて設計され、概念的なエネルギー供給の線１１０４によるエネルギーの供給が、高圧に加圧された水を気化させるために充分な高温を有するならば可能である。そして、その場合には、水蒸発器１１０２の出力に高温及び高圧を有していてタービンの駆動（すなわち、電流１１０８の生成）に理想的に適する蒸気を生成することも可能になる。図１Ｃに示した例では、蒸気が、２１５℃という温度及び２ＭＰａ又は２０ｂａｒという圧力を有している。タービン１１０６は、３６℃という温度及び６０ｍｂａｒという圧力を有する作動蒸気を出力するような大きさに作られている。上述の体積流量及び上述の圧力差及び／又は温度差によれば、１．５ｋＷ程度の電流を生成することができる。また、同時に、液化装置の液体が凝縮した蒸気によって加熱され、したがって電流が得られることに加えて、建物の好都合な暖房も達成される。
【００７３】
好ましい実施の形態においては、配管２２内の作動流体について、システムを通過する体積流の速度、すなわち体積流量が、毎秒１ｍＬ〜毎秒１００ｍＬの範囲にある。第２の圧力、すなわち液化装置内の蒸気が呈し、液化装置の出力における水が呈する圧力は、好ましくは２５ｈＰａ〜０．１ＭＰａの範囲にあり、水ポンプによって生成される圧力が、好ましくは約５ｂａｒを超え、とくに好ましい実施の形態においては、約１２ｂａｒを超える範囲にある。
【００７４】
水蒸発器１１０２の出力及び／又はステージタービン１１０６の出力において蒸気が呈する温度は、図１Ｂの表に示されており、さらにはいくつかの作動点に関してより高圧について図１Ｄのさらなる表にも示されているように、対応する蒸気の圧力からもたらされる。
【００７５】
好ましい実施の形態においては、適切な冷媒が適切な作動圧力に組み合わせられる。水は、２６ｍｂａｒという低い圧力の雰囲気において早くも２２℃で凝縮し、約１．０１ｂａｒでは１００℃で凝縮する。凝縮させられることにより、水は、自身の凝縮エネルギーを、好ましくは建物の暖房のために直接使用される暖房システムの水へと渡す。暖房の戻り流の過冷却された水が、送りポンプ１１００によって高い作動圧力へと加圧される。好ましくは熱交換器を備えている水蒸発器において、水が気化し、圧力に対応する温度となる。１００℃において圧力は１ｂａｒである。２００℃において圧力は１６ｂａｒであり、３００℃において圧力は９０ｂａｒである。超過圧力が、ガスの流れによって吸収された機械的なエネルギーを例えば電気エネルギーへ変換するように、タービン１１０６を駆動するために使用される。蒸気が、高圧側から低圧側へと流れ、サイクルが再び始まる。凝縮熱が建物を暖房するために充分でない場合には、第１のヒートポンプ部分をさらに動作させることが好ましく、この目的のために、タービン１１０６によって生成される電流が使用されるか、又は電流が電力供給網から得られる。電力供給網から得られる電流のコストが、電力供給網への電流の出力よりも低コストである場合には、後者の事例がより好ましいであろう。
【００７６】
このように、木片を燃やすことによって、木材を建物の暖房に直接使用する場合に比べ、約３倍の量の熱エネルギーを、建物を暖房するためにもたらすことができる。これは、木片に含まれるエネルギーがヒートポンプの第１の部分を駆動するために使用されるからである。
【００７７】
図１Ｃは、建物を暖房するための小型発電装置の好ましい実施の形態を示しているが、図１Ｄは、第１の部分及び第２の部分を含んでいる本発明のヒートポンプの好ましい実施の形態を示している。
【００７８】
第１の部分は、第１の（低い）圧力の作動流体を気化させるための蒸発器１０を備えている。さらに、第１の部分は、気化した作動流体を第２のより高圧へと圧縮するためのダイナミック型圧縮機１６を備えている。最後に、第１の部分は、圧縮された作動流体を液化させるための液化装置１８をさらに備えている。
【００７９】
本発明によれば、液体の作動流体を第２の圧力よりも高い第３の圧力へと圧縮するための水ポンプ１１００による第２の部分がさらに設けられている。加えて、第２の部分は、第３の圧力へと圧縮された作動流体を、蒸発器又は熱交換器１１０２によって気化させるように機能する。さらに、第２の部分は、気化した作動流体を、タービン１１０６によって第３の圧力よりも低い圧力へと緩和して、配線１１０８を介して出力できる電流を生成するように機能する。さらに、第２の部分は、液化装置１８も含んでおり、気化及び緩和後の作動流体を液化装置１８において液化させる。
【００８０】
本発明によれば、図１Ｄに示されているように液化装置において作動流体の接触が存在する場合、すなわち図１Ｄに示されているように液化装置１８に関して熱交換器が使用されていない場合、図１Ｄのヒートポンプの第１及び第２の部分の作動流体は同一である。しかしながら、第２及び第１の部分の作動流体のサイクルが互いに異なる流体をもち、液化装置において両方のサイクルが熱的に結合される場合も液化は明らかに生じる。しかしながら、１つの同じ作動流体を使用し、液化装置１８において熱的な結合だけでなく、流体の結合も生じさせることが好ましい。なぜならば、その場合には、熱交換器が不要になり、タービン１１０６の出力配管を液化装置へ直接接続でき、又は単純なカプラ１１１０を介して接続できるからである。
【００８１】
カプラ１１１０は、入力側において第１の部分のダイナミック型圧縮機１６の出力配管及び第２の部分のタービン１１０６の出力配管の両者を受け取り、カプラ１１１０の出力が液化装置１８へ接続されるように構成されている。実施の形態によっては、カプラはダイナミック型圧縮機１６の出力もしくはタービン１１０６の出力のいずれかを出力へ接続し、又はダイナミック型圧縮機の要件及び実施形態によっては、カプラは両方の出力を並列に液化装置１８へ接続することができる。
【００８２】
さらに、液化装置１８は、ヒートポンプの第２の部分が作動していないときに通常のドレインを呈するように構成することができるスイッチ１１１４を介して、水蒸発器１０へ接続されている。
【００８３】
また、第２の部分が作動していないとき、図２に示されているように、ドレイン水２２を一次側の蒸発器サイクルへ直接送ることができる。
【００８４】
さらに、スイッチ１１４０を、水ポンプ１１００及び水蒸発器１０の両者に液体を供給するように実施してもよい。これは、作動流体が環境（例えば、地下水）から取られ環境のどこかに戻されるために第１の部分の好ましい実施例が開放サイクルを呈する一方で、液化装置の水が圧縮、気化、緩和及び液化を何度も繰り返すために第２の部分において生じるサイクルが密封サイクルであるからである。しかしながら、また、第１の部分及び第２の部分のそれぞれの第１のサイクル及び第２のサイクルの両者を、開放サイクルとして構成してもよい。これは作動流体が水であり、すなわち汚染が生じない場合に可能であるが、当てはまらない場合もある。特にラジアルフローホイールがダイナミック型圧縮機として使用され、好ましくはラジアルフローホイールが設けられた段階式のタービンがタービンとして使用される場合には当てはまらない。
【００８５】
本発明のヒートポンプの第２の部分は、出力線１１０８に生成される電流を利用するために、好ましくはコントローラ１１１２をさらに備えている。実施の形態によっては、電流をダイナミック型圧縮機１６を駆動するために直接利用することができる。あるいは、タービン１１０８によって生成される電流を電力供給網へ売ることができる一方で、ダイナミック型圧縮機で使用する電流を電力供給網から買うこともできる。この手法は、特に電力供給網へ電流を送り込むことによって得られる代金が、電力供給網から得る電流について支払わなければならない代金よりも高い場合に経済的に有用である。
【００８６】
さらに、タービンによって生成された電流を、少なくとも部分的に、水ポンプ１１００を駆動するために使用することができる。
【００８７】
本発明の好ましい実施の形態を、以下で図２を参照して詳しく説明する。水蒸発器が、気化室１００及び揚水管１０２を備えており、揚水管１０２を地下水リザーバ１０４からの地下水が矢印１０６の方向に気化室１００へと上方に移動する。揚水管１０２は、比較的細いパイプの断面を拡大して可能な限り大きい気化面積をもたらすように構成された膨張器１０８へとつながっている。膨張器１０８は、漏斗の形状を有することができ、すなわち任意の形状の回転放物体の形状を有することができる。膨張器１０８は丸い推移部又は角張った推移部をもつことができる。気化のプロセスを改善するために、気化室１００へ向けられた断面、又は気化室１００に面する面積が、揚水管の断面積よりも大きいことだけが重要である。毎秒約１Ｌが揚水管を通って気化室へと上向きに流れると仮定すると、毎秒約４ｍＬが約１０ｋＷの加熱力で気化器において気化させられる。残りは、約２．５℃だけ冷却されて膨張器１０８を介して出て、気化室内の閉じ込め収集容器１１０に行き着く。閉じ込め収集容器１１０は、毎秒１Ｌから気化した毎秒４ｍＬを引いた量を好ましくは地下水リザーバ１０４へと再び放出するドレイン１１２を備えている。この目的のため、ポンプ１１４又はオーバーフロー制御のためのバルブが設けられる。バルブ１１４のポンプが開かれたならば、重力によって水が蒸発器の閉じ込め収集容器１１０から戻り流パイプ１１３を介して地下水リザーバへと下方に流れるため、積極的なポンプ動作を実行する必要がないことに注意すべきである。このようにして、ポンプ又はバルブ１１４が、閉じ込め収集容器内の水位が過剰に高くなることがないように保証し、又は水蒸気がドレインパイプ１１２へと進入することがないように保証し、さらには気化室が戻り流パイプ１１３の「下」端の状況から確実に切り離されるように保証する。
【００８８】
揚水管は揚水管容器１１６内に配置され、揚水管容器１１６は好ましくは設けられるポンプ１１８によって水で満たされる。揚水管容器１１６及び膨張器１０８における水位は、水が揚水管容器１１６から膨張器１０８へ運ばれることを保証する連通管の原理、重力ならびに揚水管容器１１６及び膨張器１０８における差圧に従って互いに関係づけられている。揚水管容器１１６に存在する水位は、好ましくは、たとえ異なる気圧においても、空気が進入することがないように水位が決して揚水管１０２の入り口を下回ることがないように調整される。
【００８９】
好ましくは、蒸発器１０は気体分離器を備えており、その気体分離器は気化させるべき水に溶存しているガスの少なくとも一部（例えば、少なくとも５０％）を気化させるべき水から取り除き、取り除いた気体が気化室を介して圧縮機によって吸い込まれることがないように構成されている。好ましくは、その気体分離器は、取り除いた気体を気化していない水へ送り、その気化していない水によって運び去るように構成される。溶存ガスとしては酸素、二酸化炭素、チッ素などを挙げることができる。これらのガスは、大部分は水の気化よりも高圧で気化するので、気体分離器を、気体分離器において気化させられた酸素などが、まだ気化していない水から出て、好ましくは戻りパイプ１１３へと送り込まれるように、膨張器１０８の下流に配置することができる。戻りパイプ１１３への送り込みは、好ましくは、気体が戻り水によって地下水へと再び連れ戻されるように圧力が低い戻りパイプ１１３の位置において実行される。あるいは、分離した気体を収集し、特定の間隔で廃棄してもよく、あるいは常時排気、すなわち大気へ放出してもよい。
【００９０】
典型的には、地下水、海水、川の水、湖水、塩水又は他の天然に生じる水溶液は８〜１２℃の間の温度を有する。１Ｌの水の温度を１℃だけ下げることによって、４．２ｋＷの電力を生成できる。水が２．５℃だけ冷却されるならば、１０．５ｋＷの電力が生成される。好ましくは、この例では毎秒１Ｌである熱出力に応じた流れの強度を有する水の流れが、揚水管を通って流れる。
【００９１】
ヒートポンプが比較的高い負荷で動作する場合、蒸発器が、毎秒約６ｍＬを気化させるが、これは毎秒約１．２立方メートルという蒸気の体積に相当する。必要とされる暖房システムの水温に応じて、ダイナミック型圧縮機がその圧縮力に応じて制御される。たとえ極端に寒い日でもおおむね充分である４５℃という暖房用の前進流の温度が望まれる場合には、ダイナミック型圧縮機が、１０ｈＰａでよかった圧力を１００ｈＰａの圧力へと高めなければならないであろう。他方で、例えば２５°という前進流の温度が床暖房システムにとって充分であるならば、ダイナミック型圧縮機によって達成しなければならない圧縮は、わずかに３倍にすぎない。
【００９２】
このように、生成される電力は、圧縮機の定格によって決定され、すなわち一方では、圧縮倍率（すなわち、圧縮機による圧縮の程度）によって決定され、他方では、圧縮機によって生成される体積流量によって決定される。体積流量が増すと、蒸発器がより多くを気化させなければならず、より多くの地下水が気化室へと送られるよう、ポンプ１１８がより多くの地下水を揚水管容器１１６へと運ぶ。他方で、ダイナミック型圧縮機のもたらす圧縮倍率がより小さい場合には、下部から上部へと流れる地下水はより少ない。
【００９３】
しかしながら、ここで、ポンプ１１８を通る地下水の通過を制御することが好ましいことにも、注意すべきである。連通管の原理に従い、容器１１６内の充填レベル又はポンプ１１８の押し出し能力が、揚水管を通る流れの量を決める。したがって、流れの制御がダイナミック型圧縮機の吸引力から切り離されるため、プラントの効率の向上を達成することができる。
【００９４】
地下水を下方から気化室１００へと送るために、ポンプは不要である。むしろ、これが「自動的」に生じる。この排気された気化室への自動的な上昇は、２０ｈＰａという負圧を容易に達成できるという事実も裏付ける。この目的のために、排気ポンプなどは不要である。むしろ、９ｍを超える高さを有する揚水管のみが必要である。その結果、純粋に受動的な負圧の生成が達成される。しかしながら、必要な負圧を、例えば図５Ａの実施例が使用される場合に、大幅に短い揚水管を使用して生成することもできる。図５Ａには、大幅に短い「揚水管」が示されている。高圧から負圧への変換が、タービン１５０によって達成され、この場合、タービンが作動媒体からエネルギーを取り出す。同時に、戻り流側の負圧が高圧へと再び戻され、これに必要なエネルギーはポンプ１５２によって供給される。ポンプ１５２及びタービン１５０は、タービンが具体的には媒体から取り出したエネルギーを使用してポンプを駆動するように、力の結合１５４によって互いに接続されている。モータ１５６が、単に、システムが不可避的に有する損失を補償するため、及び循環を達成するため、すなわちシステムを休止位置から図５Ａに示したダイナミックモードにするために、依然として必要である。
【００９５】
好ましい実施の形態においては、ダイナミック型圧縮機は、回転車輪を備えるラジアルフローの圧縮機として構成され、車輪は、先行技術において知られているとおり、低速ラジアルフローホイール、中速ラジアルフローホイール、半軸流ホイールもしくは軸流ホイール、又はプロペラとすることができる。ラジアルフローの圧縮機は、非特許文献２に記載されている。したがって、そのようなラジアルフローの圧縮機は、いわゆるセンターランナーを回転可能な車輪として備えており、その形態は、個々の要件に応じて決まる。一般に、ターボ圧縮機、ファン、ブロア又はターボコンデンサとして知られるとおり、任意のダイナミック型圧縮機を使用することができる。
【００９６】
本発明の好ましい実施の形態においては、ラジアルフローの圧縮機１６が複数の別個独立のダイナミック型圧縮機として構成される。それらのダイナミック型圧縮機は、２つのダイナミック型圧縮機が異なる回転数を有することができるように、少なくとも回転数に関して独立に制御することができるものである。そのような実施例が、図６Ａに示されており、圧縮機が、ｎ個のダイナミック型圧縮機の縦列として構成されている。第１のダイナミック型圧縮機の下流の種々の位置に、好ましくは、例えば符号１７０によって示され、処理された水を加熱するための１つ以上の熱交換器が設けられる。これらの熱交換器は、先行のダイナミック型圧縮機１７２によって加熱（及び圧縮）されたガスを冷却するように構成されている。ここで、過熱エンタルピーが、全圧縮プロセスの効率係数を向上させるためにうまく利用される。次いで、冷却されたガスが、１つ以上の下流の圧縮機を使用してさらに圧縮され、あるいは液化装置へと直接送られる。例えば処理済みの水を例えば４０℃よりも高温へ過熱するために、圧縮された水蒸気から熱が抽出される。しかしながら、これは、ヒートポンプの全体としての効率係数を低下させず、向上させさえする。というのは、間にガス冷却が接続されたより長い寿命を有する２つの連続的に接続されたダイナミック型圧縮機が、減らされた熱負荷によって液化装置において必要なガス圧を達成しつつ、ガス冷却のないただ１つのダイナミック型圧縮機が存在する場合よりも少ないエネルギーしか必要としないからである。
【００９７】
図２は、第２のヒートポンプ部分の構成要素１１００、１１０２、１１０６をさらに示している。蒸発器１１０２における気化に必要なエネルギーは、地下水とは対照的に、もはや低い温度を有する媒体から由来せず、極めて高温を有する媒体、すなわち例えばバーナの廃ガスの流れ又は太陽集熱器の放熱から由来する。
【００９８】
この場合、北半球において、太陽集熱器が、特に夏と冬との間及び冬と夏との間の移行時期において高い効率を生成すること、そして、そのことが、太陽集熱器が処理された水の加熱のためだけでなく、暖房システムの支援のためにも運転される場合にいっそう真実であることに、特に注意すべきである。真夏において、太陽集熱器は、きわめて大量の温水を生成する。しかしながら、真夏には需要がそれほど大きくないので、典型的な太陽集熱器の能力が、真夏においては最適な様相で利用されない。というのは、太陽集熱器によって生成されるエネルギーの供給の全体を貯蔵することができず、あるいはきわめて高い費用をかけなければ貯蔵することができず、すなわち巨大な温水タンクを設けなければ貯蔵することができないからである。本発明によれば、この問題は、太陽集熱器がもはや水を加熱するためには使用されず、高圧に加圧された水を気化させるために使用されることにより解決される。これに必要とされる高温は、特には真夏においてきわめて上手く達成されるが、冬期には入手できない。しかしながら、夏期において、太陽集熱器を使用して、すなわちタービンによってもたらされるエネルギーの形態で、高い効率係数で電気エネルギーを生成することも可能である。このサイクルを動作させるためにヒートシンクが必要な場合には、暖房用の前進流及び／又は暖房の戻り流を、もはや建物の暖房に入力しなくてもよく、液化装置の温度が過剰な水準へと上昇することを許さないように、例えば土中のヒートシンクへと接続することができる。
【００９９】
このように、エネルギーを、太陽集熱器によって夏期においても最適な方法、特に貴重な電気エネルギーとして生成することができる。電気エネルギーは電力供給網へ出力することができ、かつ個人の家庭に貯蔵する必要がなく、高い代金を報酬に電力供給網へと出力することができる。
【０１００】
冬期において、太陽集熱器が水の気化に必要な高温をもたらさない場合には、バーナを動作させることによって容易に高温を得ることができる。バーナは、例えば木材を燃やす暖炉の形態で快適の理由のために多数の家庭によっていずれにせよ利用されるものである。暖房の快適さに加え、今や「経済的な」快適も存在する。というのは、燃料の燃焼による高温での水の気化によって、生成される電流をヒートポンプの第１の部分の形態の建物の実際の暖房システムのダイナミック型圧縮機を駆動するために使用することができ、又は電力供給網への供給を実現して経済的な収入を得るために使用することができるからである。このように、本発明の考え方は、夏期だけでなく冬期にも、電力消費コストの削減をもたらし、したがって暖房コストの削減をもたらす。光起電ではなく水の気化による電流の生成によって、太陽輻射が充分である場合に、夏期における電力の送り込みがコストに関して冬期の電力消費を切り下げることさえできるため、全体的な観点から見て暖房をほとんどコストなしで得ることができる。
【０１０１】
ヒートポンプのとくに第１の部分の好ましい実施例を以下に説明する。
【０１０２】
本発明の好ましい実施の形態においては、２つのダイナミック型圧縮機が異なる回転数を有することができるように、ラジアルフローの圧縮機１６は、少なくとも回転数に関して独立に制御することができる複数の別個独立のダイナミック型圧縮機として構成される。そのような実施例が、図６Ａに示されており、圧縮機がｎ個のダイナミック型圧縮機の縦列として構成されている。第１のダイナミック型圧縮機の下流の種々の位置に、好ましくは、例えば符号１７０によって示され処理された水を加熱するための１つ以上の熱交換器が設けられる。これらの熱交換器は、先行のダイナミック型圧縮機１７２によって加熱（及び圧縮）されたガスを冷却するように構成されている。ここで、過熱エンタルピーが、全圧縮プロセスの効率係数を向上させるためにうまく利用される。次いで、冷却されたガスが、１つ以上の下流の圧縮機を使用してさらに圧縮され、あるいは液化装置へと直接送られる。例えば処理済みの水を例えば４０℃よりも高温へ過熱するために、圧縮された水蒸気から熱が抽出される。しかしながら、このことは、ヒートポンプの全体としての効率係数を低下させず、向上させさえする。それというのも、間にガス冷却が接続されたより長い寿命を有する２つの連続的に接続されたダイナミック型圧縮機が、減らされた熱負荷によって液化装置において必要なガス圧を達成しつつ、ガス冷却のないただ１つのダイナミック型圧縮機が存在する場合よりも少ないエネルギーしか必要としないからである。
【０１０３】
別個独立に運転される縦列にされたダイナミック型圧縮機は、好ましくは、入力側において暖房回路内の目標温度を維持し、状況によっては暖房回路内の実際の温度も維持するコントローラ２５０によって制御される。所望される目標温度に応じて、例えば縦列の上流に配置されてｎ１によって示されるダイナミック型圧縮機の回転数、及び縦列において下流に配置されたダイナミック型圧縮機の回転数ｎ２が、図６Ｂによって示されるように変更される。より高い目標温度がコントローラ２５０へ入力される場合、両方の回転数が高められる。しかしながら、図６Ｂにおいてｎ１によって示されている上流に配置されたダイナミック型圧縮機の回転数が、縦列の下流に配置されたダイナミック型圧縮機の回転数ｎ２よりも小さな勾配で高められる。これにより、２つの回転数の比ｎ２／ｎ１をプロットしたときに、図６Ｂの図のように正の傾きを有する直線となる。
【０１０４】
個々にプロットされる回転数ｎ１及びｎ２の間の交差の点が、任意の点、すなわち任意の目標温度において生じることができ、あるいは場合によっては、生じなくてもよい。しかしながら、一般に、より高い目標温度が望まれる場合には、縦列において液化装置側により近く配置されたダイナミック型圧縮機の回転数を、縦列の上流に配置されたダイナミック型圧縮機よりも大きく増加させることが好ましい。
【０１０５】
この理由は、縦列において下流に配置されたダイナミック型圧縮機は、その縦列において上流に配置されたダイナミック型圧縮機によって圧縮された既に圧縮済みのガスをさらに処理しなければならない点にある。さらに、このことは、図６Ｃ及び６Ｄを参照してさらに検討されるとおり、ラジアルフローホイールの羽根の羽根角度が、圧縮すべきガスの速度に関して、常に可能な限り好都合な状態にあることを保証する。したがって、羽根角度の設定は、可能な限り渦の少ない流入ガスの圧縮の最適化のみとなる。通常であれば羽根角度の選択において技術的妥協を可能にすると考えられ、したがって目標温度においてのみ最適な効率係数を可能にすると考えられるガスの処理量及び圧縮比などといった角度設定のさらなるパラメータは、本発明によれば、独立した回転の制御によって最適な動作点へともたらされ、したがってもはや羽根角度の選択に影響を有さない。したがって、固定して設定された羽根角度にかかわらず、常に最適な効率係数がもたらされる。
【０１０６】
この点に関し、さらには、縦列において、より液化装置側に配置されるダイナミック型圧縮機について、ラジアルフローホイールの回転方向が、縦列の上流に配置されるラジアルフローホイールの回転方向に対して反対であることが好ましい。その結果、ガス流において両方の軸流車輪の羽根のほぼ最適な進入角度を達成できるので、ダイナミック型圧縮機の縦列の好都合な効率係数が、小さな目標温度の範囲においてのみならず、典型的な暖房の用途に最適な範囲である２０〜５０度の間という大幅に幅広い目標温度範囲においても生じる。このように、本発明の回転制御と、場合によっては反対回転の軸流車輪の使用とが、一方、すなわち変化する目標温度における可変のガス流と、他方、すなわち軸流車輪の固定の羽根角度との間の最適な適合をもたらす。
【０１０７】
本発明の好ましい実施の形態においては、すべてのダイナミック型圧縮機の軸流車輪のうちの少なくとも１つ、好ましくはすべてが、８０ＭＰａを超える引っ張り強さを有するプラスチックで製作される。この目的のために好ましいプラスチックは、炭素繊維が埋め込まれたポリアミド６．６である。このプラスチックは、高い引っ張り強さを有するという利点を有しており、したがって外乱圧縮機の軸流車輪をこのプラスチックから製造でき、それにもかかわらず高速の回転数で動作させることができる。
【０１０８】
好ましくは、軸流車輪は、本発明によれば、例えば図６Ｃに参照番号２６０で示されているようなものが採用される。図６Ｃはそのようなラジアルフローホイールの概略上面図を示しており、図６Ｄはそのようなラジアルフローホイールの概略断面図を示している。従来技術において知られているとおり、ラジアルフローホイールは、内側から外側へと延びる複数の羽根２６２を備えている。羽根は、ラジアルフローホイールの軸に関して、中心軸２６４の或る距離（ｒWによって示されている）から外側に向かって完全に延びている。詳しくは、ラジアルフローホイールは、ベース２６６と、吸入パイプ又は前段の圧縮機へと向けられたカバー２６８とを備えている。ラジアルフローホイールは、ガスを吸い込むために、ｒ1によって示された吸入開口を備えており、次いでこのガスが、図６Ｄに符合２７０にて示されているとおり、ラジアルフローホイールによって横方向に出力される。
【０１０９】
図６Ｃに目を向けると、ガスは、回転方向において、羽根２６２の前ではより高い相対速度を有し、羽根２６２の背後では減速された速度を有する。しかしながら、高い効率及び高い効率係数のためには、ガスがラジアルフローホイールから横方向に、すなわち図６Ｄの符号２７０の方向にて、いずれの場所においても可能な限り一様な速度で排出されることが好ましい。この目的のため、羽根２６２を可能な限り密に取り付けることが望ましい。
【０１１０】
しかしながら、技術的理由のため、内側（すなわち、半径ｒW）から外側へと延びる羽根を可能な限り密に取り付けることは不可能である。なぜならば、半径ｒ1を有する吸入開口が、ますます遮られることになるからである。
【０１１１】
したがって、本発明によれば、それぞれ羽根２６２の長さよりも短い長さにわたって延びる羽根２７２、２７４及び２７６を設けることが好ましい。詳しくは、羽根２７２は、ｒWから完全に外側まで延びるのではなく、ラジアルフローホイールに関してｒWよりも大きいＲ1から外側へと延びている。これと同様に、図６Ｃに例として示されているように、羽根２７４がＲ2から外側へと延びているにすぎず、羽根２７６はＲ3から外部へと延びているにすぎない。Ｒ2はＲ1よりも大きく、Ｒ3はＲ2よりも大きい。
【０１１２】
これらの比が図６Ｄに概略的に示されている。例えば図６Ｄの領域２７８の二重斜線は、重なり合いしたがって二重斜線の領域によって標識される２つの羽根がこの領域に存在することを示している。例えば、領域２７８に示されている左下から右上への斜線はｒWから最も外側まで延びる羽根２６２を示しており、領域２７８の左上から右下へと延びる斜線はラジアルフローホイールに関してわずかにｒ1から外側まで延びている羽根２７２を示している。
【０１１３】
このように、それほどは内側に向かって延びてはいない少なくとも１つの羽根が、好ましくはそれよりも内側へとさらに延びている２つの羽根の間に配置されている。この結果として、吸入領域が塞がれることがなく、さらに／又は、より小さな半径を有する領域に羽根が過剰に密集することがない一方で、より大きな半径を有する領域には羽根がより密に密集する。その結果、ラジアルフローホイールの出力、すなわち圧縮されたガスがラジアルフローホイールから離れる場所において出るガスの速度分布が、可能な限り一様になる。図６Ｃの本発明の好ましいラジアルフローホイールにおいては、羽根の「積み重ね」配置により、例えば最も内側から最も外側まで延びる羽根２６２だけが存在する場合（必然的に、ラジアルフローホイールの外側端において間隔が極めて大きく、間隔が図６Ｃに示したような本発明のラジアルフローホイールに比べて大幅に大きくなる）に比べて、ガスを加速させる羽根の間隔が大幅に小さいため、出て行くガスの速度分布が外周において極めて一様である。
【０１１４】
この点において、図６Ｃのラジアルフローホイールの比較的高価かつ複雑な形状を、プラスチックの射出成型によってきわめて好都合な方法で製造でき、特に、最も内側から最も外側まで延びてはいない羽根（すなわち、羽根２７２、２７４、２７６）を含むすべての羽根のしっかりとした固定を簡単に実現できることに注意すべきである。それというのも、それらの羽根は図６Ｄのカバー２６８及びベース２６６の両方へ接続されるからである。プラスチックを特にプラスチック射出成型技法とともに使用することで、所望の任意の形状を、精密な方法で、低いコストにて製造することができるが、これは、金属製の軸流ホイールにおいては、容易には不可能であるか、又はきわめて高い費用をかけた場合にのみ可能であるか、又は全く不可能である。
【０１１５】
この点で、ラジアルフローホイールの極めて高い回転数が好ましく、結果として羽根に作用する加速度が極めて大きな値をとることに注意すべきである。この理由で、ラジアルフローホイールが生じる加速度に容易に耐えることができるように、特により短い羽根２７２、２７４、２７６が、ベースだけにではなく、カバーにも固定して接続されることが好ましい。
【０１１６】
さらに、この場合、プラスチックの使用が、プラスチックの優れた衝撃強度という理由でも好都合であることに注意すべきである。例えば、氷の結晶又は水滴が少なくとも第１の圧縮機段のラジアルフローホイールに衝突することを必ずしも排除することができない。大きな加速度のために、きわめて大きな衝突力がここに生じるが、プラスチックがこれに容易に耐える充分な衝撃強度を有している。さらに、液化装置における液化が、好ましくはキャビテーションの原理にもとづいて生じる。ここでは、この原理にもとづき、水中で小さな蒸気の気泡が潰れる。微視的な観点から、きわめて大きな速度及び力がそこに生じ、これが長期の動作において材料の疲労につながる可能性があるが、これを、充分な衝撃強度を有するプラスチックが使用される場合に、容易に抑制することができる。
【０１１７】
最後の圧縮機１７４によって出力される圧縮ガス、すなわち圧縮された水蒸気は、次に液化装置１８へと送られる。液化装置１８は、図２に示したように構成されてよいが、好ましくは図３Ａに示したように構成される。液化装置１８は、水１８０と、好ましくは蒸気１８２とを収容している。蒸気１８２は所望のとおりに少なくてよい。液化装置１８は、圧縮された蒸気を水１８０へ送るように構成され、符号１８４で概略的に示されているように、蒸気が液体へ進入する所で凝縮がすぐに生じる。この目的のために、ガスが液化装置の水１８０において可能な限り広い領域に分散するように、ガス供給用に膨張領域１８６を有することが好ましい。典型的には、温度層のために、水タンク内の最高の温度が上部に位置し、最も低い温度が底部に位置する。したがって、暖房用の前進流は、常に液化装置の水１８０から最も温かい水を取り出すように、浮き１８８によって可能な限り水１８０の表面の近くに配置される。暖房の戻り流は、底部において液化装置へと供給され、その結果、液化させるべき蒸気が、可能な限り冷たく、暖房用の循環ポンプ３１２を用いた循環によって再び底部から膨張器１８６の蒸気−水の境界の方向に移動する水に接する。
【０１１８】
重力によってすべての暖房パイプが液化装置内における圧力よりも大きい圧力を有するように、暖房すべき領域が液化装置よりも下方に位置するように液化装置が建物に配置されている場合には、簡単な循環ポンプ３１２のみが存在する図２の実施の形態で充分である。
【０１１９】
対照的に、図５Ｂは、タービン／ポンプの組み合わせを有する液化装置への暖房配管の接続の実施例を、液化装置が暖房配管の高さよりも低い高さに配置される場合、又はより高圧を必要とする従来からの暖房が接続される場合について示している。このように、液化装置がより低い高さに配置され、すなわち暖房対象の領域の下方及び／又は暖房配管３００の下方に配置される場合、ポンプ３１２が、図５Ｂに符号３１２で示されるように被駆動ポンプとして構成される。さらに、タービン３１０が、ポンプ３１２を駆動すべく暖房の戻り流２０ｂに設けられ、タービン３１０が、力の接続３１４を介してポンプ３１２へとつながれる。その結果、暖房システムに高圧が存在し、液化装置に低い圧力が存在する。
【０１２０】
液化装置における水位が、液化装置へ常に導入される蒸気によってますます上昇することが考えられるため、ドレイン２２が設けられ、液化装置の水位が基本的に不変であるようにするために、ドレイン２２を介して、やはり例えば毎秒約４ｍＬが排水されなければならない。この目的のため、圧力損失なしで、必要な量、すなわち圧縮機が動作しているときに液化装置へ送られる水蒸気の量（例えば、毎秒４ｍＬ）を再び排水するように、圧力調節のためのドレインポンプ又はドレインバルブ１９２が設けられている。実施の形態によっては、符号１９４で示されているようにドレインを揚水管へ導入してもよい。１ｂａｒと気化室内に存在する圧力との間のあらゆる種類の圧力が、揚水管１０２に沿って存在するため、ドレイン２２を、ポンプ１９２又はバルブ１９２の下流から出るときとおおむね同じ圧力が存在する位置１９４において、揚水管へ入れることが好ましい。その結果、ドレイン水を揚水管へと再供給するために仕事を行う必要がない。
【０１２１】
図２に示した実施の形態は全く熱交換器なしで動作する。すなわち、地下水が気化させられ、次いで蒸気が液化装置において液化させられ、液化させられた蒸気が、最終的に暖房システムを通って送られ、再び揚水管へと送られる。しかしながら、揚水管を通って流れる水のうちのすべてではなく、（きわめてわずかな）一部分のみが気化させられるため、床暖房システムを通って流れた水が、地下水へと送られる。このようなことが自治体の規制によって禁止されている場合には、たとえ本発明がいかなる汚染も引き起こすことがないにせよ、ドレインを毎秒４ｍＬの量（おおむね１日当たり３４５Ｌに相当する）を下水道へと送るように構成してもよい。これは、建物の暖房システムに存在したいかなる媒体も、地下水へと直接戻されることがないように保証するであろう。
【０１２２】
しかしながら、蒸発器からの戻り流１１２を、いかなる問題もなく地下水へと送ることができる。なぜならば、そこを流れ戻る水は、揚水管及び戻りの配管にしか接触しておらず、気化の膨張器１０８とダイナミック型圧縮機への出力との間の「気化の境界」を超えていないからである。
【０１２３】
図２に示した実施の形態において、気化室ならびに液化装置、又は液化装置の蒸気室１８２が、密封されなければならないことに注意すべきである。気化室内の圧力が、揚水管を通って送られる水が気化するために必要な水準を超えるとすぐに、ヒートポンププロセスが「停止」に至る。
【０１２４】
以下では、液化装置１８の好ましい実施の形態を表わしている図３Ａを参照する。圧縮された蒸気のための送り配管１９８が、蒸気が液化装置の水１８０の水面のすぐ下方において水１８０中へ出ることができるように液化装置内に位置決めされている。この目的のため、蒸気供給配管の端部が、パイプの外周を巡って配置されたノズルを備えており、これらのノズルを通って蒸気が水中へ出ることができる。混合が可能な限り徹底的に生じるように、すなわち蒸気を可能な限り冷たい水に接触させて、可能な限り迅速かつ効率的に液化させるために、膨張器２００が設けられる。この膨張器は、液化装置の水１８０の中に配置される。膨張器は、最も狭い地点において、液化装置の底部の低温の水を吸い込み、それを膨張器によって上方に向けられてより幅広くなる流れに向かって移動させるように構成された循環ポンプ２０２を有している。これは、可能な限り大量の蒸気を液化装置の水１８０へと進入させ、循環ポンプ２０２によってもたらされる可能な限り冷たい水に接触させることを目的としている。
【０１２５】
さらに、液化装置の周囲に、能動的又は受動的な方法で構成することができる遮音部２０８を設けることが好ましい。受動的な遮音部は、熱絶縁と同様に、液化によって生じる音の周波数を可能な限り絶縁する。システムの他の構成要素にも、やはり遮音を施すことが好ましい。
【０１２６】
又は、遮音部を能動的であるように構成することも可能であり、その場合には、例えば音を測定するためのマイクロホンを有し、測定に応答して、例えば圧電手段によって液化装置の外壁を振動させるなど、音の打ち消し作用を生じさせることができる。
【０１２７】
図３Ａに示した実施の形態は、液化装置内に位置する液体１８０が、ヒートポンプが停止しているときに通常であれば圧縮された蒸気が存在しているパイプ１９８へ進入する点で、いくらか問題である。一実施例においては、逆止バルブを配管１９８に、例えば液化装置からみてその配管の出力付近に設けることができる。あるいは、配管１９８を、特に圧縮機の停止時に液体が圧縮機に逆流することがないような高さまで上方へ向けることができる。圧縮機が再び作動するとき、蒸気配管１９８からの水が、最初に圧縮された蒸気によって液化装置へ押し出される。
【０１２８】
水の充分な部分が配管１９８から取り除かれた後、蒸気が液化装置において凝縮させられる。したがって、そのような形式の実施の形態は、水１８０が圧縮された蒸気によって再び加熱されるまでに必要な特定の遅延時間を有している。加えて、配管１９８へ進入した水を再び配管１９８から取り除くために必要な仕事は、もはや回収できず、したがって暖房システムに関しては「損失」である。したがって効率係数に関する小さな損失は受け入れられなければならない。
【０１２９】
この問題を克服する別の実施の形態が、図３Ｂに示されている。図３Ａと異なり、ここでは圧縮された蒸気が液化装置内の水位の下方のパイプに送られるのではない。代わりに、蒸気が、実際には、液化装置内の液体へと表面から「送り」込まれる。この目的のため、液化装置がノズル板２１０を備えており、ノズル板２１０はノズル板２１０の平面に対して突き出しているノズル２１２を備えている。ノズル２１２は液化装置の水１８０の水位の下方に延びている。対照的に、図３Ｂにおいて符号２１４で示された、２つのノズルの間の凹部は液化装置の水１８０の水位の上方へと延びており、したがって液化装置の水の水面（ノズルによって中断されている）が常に２つのノズルの間に位置している。ノズル２１２は、配管１９８から蒸気室１８２へと広がる圧縮された水蒸気を通過させて液化装置の水へと進入させる（矢印２１６によって概略的に示されているとおり）ことができるノズル開口を有している。
【０１３０】
図３Ｂの実施例において圧縮機が停止した場合、結果として液体がノズル板２１０のノズル２１２へと進入するが、その程度はわずかであり、したがって再びヒートポンプが作動させられるときにノズルから水を再び押し出すために行わなければならない仕事はきわめて小さい。いずれにせよ、膨張器２００を介する供給であるために、ポンプ２０２によって上方へと運ばれる液体が常に可能な限り低温であって暖かい蒸気に接触することを膨張器２００が保証する。次いで、温かい水が、すみやかに前進流２０ａへと進入し、あるいは矢印２１８によって示されるとおり膨張器の縁において水中に広がり、特に膨張器の形状のために乱れが可能な限り少ない温度の層化が、膨張器の外側で液化装置内に生じる。
【０１３１】
膨張器の縁、すなわち矢印２１８が示されている場所に存在する流量は、中央よりも大幅に少ない。液化装置を温度層の保存として動作させることが好ましいので、例えば油バーナによって動作する通常の暖房設備の場合と同様に、ヒートポンプ、特に圧縮機を、中断なしで動作させなくてもよく、必要がある場合にのみ動作させればよい。
【０１３２】
図３Ｃは、液化装置のさらなる好ましい実施例を概略的に示している。特に、液化装置が、液化装置内の気体空間１８２へ接続された気体分離器２２０を備えている。液化装置において漏れうる酸素又は他のガスなど、液化装置内に生じるあらゆる気体が、気体分離器容器２２０内に集まる。次いで、ポンプ２２２を好ましくは特定の間隔で作動させる（常時のガスの排気は、生じるガスの量が少ないがために不要であるため）ことによって、このガスを大気へと送り出すことができる。あるいは、ガスを、再び図２の戻り流１１２又は１１３へとドッキングさせ、流れ戻る地下水と一緒に再び地下水リザーバへ戻してもよく、地下水リザーバにおいてガスが再び地下水に溶解し、あるいは地下水リザーバへの進入時に大気へと吸収される。
【０１３３】
本発明のシステムは水で動作し、ガスが生じず、大きなガス漏れがあってもそのようなガスはもともと地下水に溶存していないのであるから、分離されるガスが、いかなる環境の問題も引き起こさない。本発明のダイナミック型圧縮機による圧縮及び作動流体としての水の使用により、いかなる点においても油サイクルに起因する合成冷却剤もしくは油による汚染又は汚損が存在しないことを、再び強調しておかなければならない。作動媒体として、本発明のシステムは、あらゆる点において、元の地下水と少なくとも同程度に清浄であり、又は蒸発器における蒸発により地下水よりも清浄（水が、圧縮された蒸気が液化装置において再び液化させられた蒸留水であるため）である水又は蒸気を有している。
【０１３４】
以下では、気化のプロセスを加速するために液化装置のドレインを好都合に使用するための蒸発器の好ましい実施の形態を、図４Ａを参照して説明する。この目的のため、公知のとおり暖房システムの戻り流の温度、すなわち地面からくみ上げられる地下水よりもはるかに高温を有しているドレインが、ドレインパイプ２０４の壁が核沸騰のための核として機能するように、蒸発器の膨張器１０８に通される。その結果、そのような核となる作用が用意されない場合に比べて、大幅に効率的な蒸気が蒸発器によって生成される。さらに、ドレインパイプ２０４の壁を、少なくとも膨張器内において、符号２０６にて示されているように、可能な限り核沸騰のための核生成をさらに向上させるように構造化されるように構成することが好ましい。ドレインパイプ２０４の表面が粗いほど、核沸騰のためにより多くの核が生成される。ここでは、１つの動作モードにおいて液化装置へ送られる毎秒４ｍＬだけが取り扱われるため、ドレインパイプ２２を通過する流れがきわめてわずかでしかないことに注意すべきである。それでもなお、この少ない量で、かつ地下水に比べて比較的高温により、ヒートポンプの効率を保ちつつ蒸発器のサイズを小さくするために大幅に効率的な核沸騰を生じさせることが可能である。
【０１３５】
上記に代え、あるいは上記に加えて、気化のプロセスを加速するために、気化させるべき水が位置している蒸発器の領域、すなわち膨張器の表面又はその一部を、核沸騰のための核をもたらすための粗い材料から構成することができる。これに代え、あるいはこれに加えて、気化させるべき水の水面の下方（の近く）に粗い格子を配置してもよい。
【０１３６】
図４Ｂは、蒸発器の別の実施例を示している。図４Ａにおけるドレインは、単に効率的な気化のための核形成の「通過型」の補助として使用され、図４Ａの図の左手側に示されているように、ひとたび蒸発器を通過したならば排水される。それに対し、図４Ｂにおけるドレインは、それ自身が核形成を補強するために使用される。この目的のため、図２の液化装置のドレイン２２が、おそらくはポンプ１９２を介してノズルパイプ２３０へ接続され、あるいは条件が許すのであればポンプなしでノズルパイプ２３０へと接続される。ノズルパイプ２３０は、一端にシール２３２を有し、さらにノズル開口２３４を有している。例えば毎秒４ｍＬの速度でドレイン２２を介して液化装置から排出される暖かい液化装置の水が、今度は蒸発器へ送り込まれる。ノズルパイプ２３０内のノズル開口２３４への経路又はノズルの出口のすぐ近くにおいて、実際に、ドレイン水の温度にとって低すぎる圧力のために蒸発器の水の水面の下方ですでに気化が生じる。
【０１３７】
そこで形成される上記の気泡が、すぐに、流入１０２によって送り込まれる蒸発器の水のための沸騰の核として機能する。このようにして、効率的な核沸騰を、いかなる大きな追加の手段もとることなく、蒸発器において引き超すことができる。この核沸騰は、図４Ａと同様に、図４Ａの粗い領域２０６の付近又はノズル開口２３４の付近の温度が、存在する圧力に鑑みて気化が速やかに生じるほどにすでに高いという事実によって引き起こされる。この気化が、小さな蒸気の気泡を生じさせ、これが、条件が好都合に選択されたならば、再び潰れる確率がきわめて小さくなり、表面へと進む蒸気の気泡への発達の確率がきわめて高くなり、ひとたび気化室内の蒸気の空間へと進入したならば、吸入配管１２を介して圧縮機によって吸い出される。
【０１３８】
図４Ｂに示した実施の形態は、ノズルパイプ２３０から出る媒体が、最終的に蒸発器のオーバーフローを介して戻り流１１２へと再び入り、地下水に接触するため、液化装置の水を地下水サイクルへともたらすことを必然的に伴う。
【０１３９】
水の規制が規定されている場合、あるいは上記が許されない他の理由が存在する場合、図４Ｃに示した実施の形態を使用することができる。液化装置のドレイン２２によってもたらされる暖かい液化装置の水が、例えば毎秒４ｍＬの速度で熱交換器２３６へ導入され、自身の熱を、配管１０２内の主たる地下水の流れから分岐配管２３８及び分岐ポンプ２４０を介して分岐された地下水へと与える。次いで、分岐された地下水が、熱交換器２３６において液化装置のドレインの熱を基本的に引き取り、予熱された地下水が、例えば３３℃の温度でノズルパイプ２３０へ導入され、地下水に比べて高温によって、蒸発器における核沸騰を効果的に引き起こし、あるいは支援する。他方で、熱交換器は、比較的大きく冷却されたドレイン水をドレイン配管２３８を介してもたらし、次いでこれが、ドレインポンプ２４０を介して下水道へと送られる。分岐配管２３８及び分岐ポンプ２４０ならびに熱交換器２３６の組み合わせにもとづき、地下水のみが、他のいかなる媒体とも接触することなく、蒸発器において使用され又は蒸発器へ導入される。このようにして、図４Ｃに示した実施の形態に関しては、水の規制に該当することがない。
【０１４０】
図４Ｄは、縁部に供給部を備えた蒸発器の別の実施例を示している。ここでは、図２と異なり、蒸発器の膨張器２００が、蒸発器内の水位１１０の下方に配置されている。これは、中心線１１２にて戻されるように「外側から」膨張器の中央に向かう水の流れを生じさせる。図２における中心線が蒸発器への供給のために機能しているのに対し、図４Ｄにおける中心線は気化していない地下水を排水するように機能する。対照的に、図２に示した線１１２が、気化していない地下水を排水するように機能していた。図４Ｄにおいては、対照的に、縁に位置するこの線が、地下水の供給として機能する。
【０１４１】
図４Ｅは、蒸発器において使用することができるような膨張器２００、あるいは例えば液化装置において使用することができ、例えば図２、図３Ａ又は３Ｂにそれぞれ示されるような膨張器の実施例を示している。膨張器は、好ましくは、自身の小さな直径が「大きな」膨張器領域の中央において膨張器へと入るように構成されている。この流入又はドレイン（図４Ｄの場合）の直径は、好ましくは３〜１０ｃｍの間の範囲であり、とくに好ましい実施の形態においては、４〜６ｃｍの間である。
【０１４２】
膨張器の大きな直径ｄ２は、好ましい実施の形態において、１５〜１００ｃｍの範囲にあり、とくに好ましい実施の形態においては、２５ｃｍよりも小さい。蒸発器の小型な構成は、上述したように、核沸騰を引き起こして補助するための効率的な手段が使用される場合に、可能である。小さな半径ｄ１及び大きな半径ｄ２は、それらの間に位置する膨張器の湾曲の領域を有しており、この湾曲領域は、好ましくはこの領域において、好ましくは毎秒７〜４０ｃｍの範囲にある速い流速から膨張器の縁に位置する比較的小さな流速まで減速される層流がもたらされるように構成される。例えば湾曲の線の領域における渦や、膨張器を上方から眺めた場合の流入の上方の「気泡発生作用」など、流速の大きな不連続は、それらが効率係数に負の影響を及ぼしかねないため、好ましくは回避される。
【０１４３】
とくに好ましい実施の形態においては、膨張器が、膨張器表面の上方の水位の高さが、１５ｍｍよりも小さく、好ましくは１〜５ｍｍの間であるような結果をもたらす形状を有している。したがって、上方から見たときに膨張器の面積の５０％超において１５ｍｍよりも小さい水位が存在するように構成された膨張器２００を使用することが好ましい。その結果、効率的な気化を全領域にわたって保証することができ、その効率は、核沸騰を引き起こすための手段が使用される場合には、さらに高められる。
【０１４４】
このように、本発明のヒートポンプは、建物に効率的に熱を供給するように機能し、もはや世界の気候に悪影響を及ぼすいかなる作動物質も必要としない。本発明によれば、水が、きわめて低い圧力のもとで気化させられ、１つ又は互いに前後に配置された複数のダイナミック型圧縮機によって圧縮され、再び水へと液化させられる。運ばれるエネルギーが、暖房に使用される。本発明によれば、好ましくは開放系を呈するヒートポンプが使用される。ここで、開放系とは、熱エネルギーを運んでいる地下水又は他の任意の利用可能な水媒体が、気化させられ、圧縮され、低い圧力のもとで液化させられることを意味する。その水が、作動物質として直接使用される。したがって、含まれているエネルギーが、閉鎖系へ伝えられることがない。その液化させられた水が、好ましくは暖房システムにおいて直接使用され、その後に地下水へと戻される。暖房システムを容量的に切り離すために、熱交換器を終端に位置させてもよい。
【０１４５】
本発明の効率及び有用性を数値例によって表す。３０，０００ｋＷｈという年間の暖房の要件を仮定すると、本発明によれば、これを達成するために、最大で約３，７５０ｋＷｈの電流をダイナミック型圧縮機を動作させるために消費しなければならない。なぜならば、ダイナミック型圧縮機は、必要な熱の量の全体の約８分の１の供給のみを必要とするからである。
【０１４６】
この８分の１は次の事実からもたらされる。すなわち、きわめて低温の場合に限って６分の１を消費する必要があり、例えば３月又は１０月の終わりなどの移行期の温度においては、効率係数が１２を超える値にまで上昇でき、したがって１年にわたる平均では、最大で８分の１が消費されなければならないという事実である。
【０１４７】
電気について達することがありうる１ｋＷｈ当たり約１０ユーロセントという電気の価格において、本発明の発電装置において中断のない動作を保証するための電気を購入する場合、これは、おおむね３７５ユーロの年間コストに相当する。３０，０００ｋＷｈを油を使用して生成しようとすると、約４，０００Ｌが必要であると考えられ、これは、現在の油の価格（将来において下落する可能性は極めて低い）にもとづくと、２，８００ユーロという価格に相当する。したがって、本発明によれば、年間２，４２５ユーロもの節約が可能である。さらに、暖房目的で油又はガスを燃やすことに比べ、本発明の考え方によれば、放出されるＣＯ2の量の最大７０％が削減されることを、指摘しておかなければならない。
【０１４８】
製造コストを削減し、さらには維持及び組み立てのコストも削減するために、蒸発器、圧縮機及び／又は液化装置のハウジング、ならびに特にはダイナミック型圧縮機のラジアルフローホイールを、プラスチックから構成することが好ましく、特には射出成型プラスチックから構成することが好ましい。プラスチックは水に関して耐腐食性であり、本発明によれば、従来からの暖房システムに比べ、好ましいことに最大温度が利用可能なプラスチックの変形温度を明らかに下回るため、プラスチックはよく適している。さらに、蒸発器、圧縮機及び液化装置で構成されるシステムに負圧が存在するため、組み立てがきわめて単純である。したがって、全体の大気圧がハウジングを漏れがないように保つことを助けるため、封止に課される要件が大幅に低い。さらに、本発明のシステムのどこにも高価な特殊プラスチック、金属又はセラミックの使用を必要とするような高温が存在しないため、プラスチックは特によく適している。さらに、プラスチックの射出成型によって、ラジアルフローホイールの形状を、所望の任意の方法で最適化することができる一方で、複雑な形状にもかかわらず簡単な方法かつ低コストで製造することができる。
【０１４９】
状況に応じ、本発明の方法を、ハードウェア又はソフトウェアにて実現することができる。実現は、当該方法を実行するようにプログラム可能なコンピュータシステムと相互作用できる電子的に読み出し可能な制御信号を有するデジタル記録媒体（特には、ディスク又はＣＤ）上であってよい。したがって、本発明は、一般的には、プログラムコードを含んでいるコンピュータプログラム製品であって、機械で読み取ることができる担体上に保存され、コンピュータ上で実行されたときに本発明の方法を実行するためのコンピュータプログラム製品でもある。すなわち、すなわち、本発明を、コンピュータ上で実行されたときに本方法を実行するためのプログラムコードを有しているコンピュータプログラムとして実現することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年12月1日(2009.12.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧力の作動流体を気化（１０）させ、気化した作動流体を第２のより高圧へと圧縮（１６）し、圧縮された作動流体を液化装置（１８）において液化（１８）させる第１の部分と、
液体の作動流体を第２の圧力よりも高い第３の圧力へと圧縮（１１００）し、第３の圧力へと圧縮された作動流体を気化（１１０２）させ、気化した作動流体を電流を生成すべく緩和（１１０６）し、気化及び緩和後の作動流体を前記液化装置（１８）において液化させる第２の部分と
を備えているヒートポンプ。
【請求項２】
前記第１の部分が、前記気化した作動流体を圧縮するために、前記第２の部分又は外部の電力供給網から来る電流を使用するように構成され、
前記第２の部分が、電流の少なくとも一部を外部の電力供給網へと送るように構成されている請求項１に記載のヒートポンプ。
【請求項３】
作動流体が水である請求項１に記載のヒートポンプ。
【請求項４】
前記第１の部分が、２０ｈＰａよりも小さい第１の圧力の蒸発器（１０）を生成し、前記第１の圧力を上回ること５ｈＰａ超の第２の圧力への圧縮を生成するように構成されている請求項１、２又は３に記載のヒートポンプ。
【請求項５】
前記第２の部分が、０．２ＭＰａよりも高い第３の圧力への圧縮を行うように構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項６】
前記第２の部分が、前記液化装置（１８）から由来する液化後の作動流体を第３の圧力（１１００）へと圧縮するように構成されている請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項７】
前記第２の部分が、第３の圧力へと圧縮された前記液体の作動流体を、一次エネルギー源（１１０２）を使用しつつ気化させるように構成されており、
前記一次エネルギー源は、太陽集熱器の熱放散手段の燃焼プロセスの廃ガス流を含んでいる請求項１〜６のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項８】
前記液化装置（１８）が、２つの供給配管を備えており、第１の供給配管が前記第１の部分のダイナミック型圧縮機へ接続され、第２の供給配管が前記第２の部分のタービン（１１０６）へ接続されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項９】
カプラ（１１１０）が設けられており、
該カプラ（１１１０）が、入力側に２つの供給配管を有しており、第１の供給配管が前記第１の部分のダイナミック型圧縮機（１６）へ接続され、第２の供給配管が前記第２の部分のタービン（１１０６）へ接続されており、
該カプラ（１１１０）が、出力側において前記液化装置（１８）へ接続されており、
該カプラ（１１０）が、前記第１の供給配管もしくは前記第２の供給配管を前記液化装置（１８）へ接続し、又は両方の供給配管を同時に前記液化装置（１８）へ接続するように構成されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１０】
制御信号に応答して前記第２の部分のタービン（１１０６）の電流の出力を前記第１の部分のダイナミック型圧縮機（１６）の電気エネルギーの入力へと接続するためのコントローラを備えている請求項１〜９のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１１】
前記第２の部分が、液体ポンプ（１１００）と、熱源へと接続できる蒸発器（１１０２）と、電流をもたらすためのタービン（１１０６）と、前記液化装置（１８）とを備えており、前記熱源が、作動流体が第３の圧力において気化するような大きさとされている請求項１〜１０のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
【請求項１２】
熱を移動させる方法であって、
第１の部分を動作させるステップ又は第２の部分を動作させるステップを含んでおり、
前記第１の部分を動作させるステップは、第１の圧力の作動流体を気化させるステップ、気化した作動流体を第２のより高圧へと圧縮するステップ、及び圧縮された作動流体を液化装置（１８）において液化させるステップを含んでおり、
前記第２の部分を動作させるステップは、液体の作動流体を第２の圧力よりも高い第３の圧力へと圧縮するステップ、第３の圧力へと圧縮された作動流体を気化させるステップ、気化した作動流体を電流を生成すべく第３の圧力よりも小さい圧力へと緩和するステップ、ならびに気化及び緩和後の作動流体を液化装置（１８）において液化させるステップを含んでいる、熱を移動させる方法。
【請求項１３】
建物を暖房するための小規模な発電装置であって、
水を０．１ＭＰａを超える第１の圧力へと圧縮する水ポンプ（１１００）、
前記圧縮された水を、燃焼プロセス又は太陽集熱器からの一次エネルギーを使用して気化させ、第１の圧力の水蒸気をもたらす蒸発器（１１０２）、
電流を生成するためのタービン（１１０６）であって、電流を出力する際に水蒸気を５０ｋＰａよりも低い第２の圧力にするように構成されているタービン（１１０６）、及び
前記冷やされた水蒸気を液化させるための液化装置（１８）であって、建物を暖房するための暖房用の前進流（２０ａ）及び暖房の戻り流（２０ｂ）を備えている液化装置
を備えている発電装置。
【請求項１４】
建物を暖房する方法であって、
水を０．１ＭＰａを超える第１の圧力へと圧縮するステップ、
前記圧縮された水を、燃焼プロセス又は太陽集熱器からの一次エネルギーを使用しつつ気化させ、第１の圧力の水蒸気をもたらすステップ、
前記第１の圧力の水蒸気を５０ｋＰａよりも低い第２の圧力へと緩和させることによって電流を生成するステップ、及び
前記電流を生成するステップによって出力された水蒸気を、建物を暖房するための暖房用の前進流（２０ａ）及び暖房の戻り流（２０ｂ）へと接続された液化装置の水において液化させるステップを含んでいる、建物を暖房する方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４９】
状況に応じ、本発明の方法を、ハードウェア又はソフトウェアにて実現することができる。実現は、当該方法を実行するようにプログラム可能なコンピュータシステムと相互作用できる電子的に読み出し可能な制御信号を有するデジタル記録媒体（特には、ディスク又はＣＤ）上であってよい。したがって、本発明は、一般的には、プログラムコードを含んでいるコンピュータプログラム製品であって、機械で読み取ることができる担体上に保存され、コンピュータ上で実行されたときに本発明の方法を実行するためのコンピュータプログラム製品でもある。すなわち、すなわち、本発明を、コンピュータ上で実行されたときに本方法を実行するためのプログラムコードを有しているコンピュータプログラムとして実現することができる。
本発明のヒートポンプの一実施形態は、前記第１の部分が、熱源へと接続できる蒸発器１０と、電流を消費するように構成されたダイナミック型圧縮機１６と、液化装置１８とを備えており、蒸発器１０に接続される前記熱源が、作動流体が第１の圧力において気化するような大きさとされている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器１００が、地下水、海水、川の水、湖水又は塩水の形態で環境に存在する水を気化させるように構成され、液化装置１８が、液化させた水を前記蒸発器、土壌、又は水処理プラントへと送るように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、圧縮機１６が、作動蒸気を２５ｈＰａよりも高い作動圧力へと圧縮するように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、ダイナミック型圧縮機が、ラジアルフロー圧縮機として構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器１０が、気化室１００へ接続された揚水管１０２を備えており、揚水管１０２の一端が液体で満たされた作動液体用容器１１６へ接続され、揚水管１０２の他端が重力の作用によって気化室１００内に気化圧力がもたらされるように気化室１００へ接続されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、揚水管１０２が８ｍを超える長さを有するように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器が、上流の作動流体の圧力を低下させ、そのプロセスにおいて作動流体からエネルギーを抽出するタービン１５０を備えており、タービン１５０が、下流の作動流体を気化室内に存在する圧力から上流の作動流体の圧力にするためのポンプ１５２へ作用可能に接続されており、この作用的接続１５４は、タービンが抽出したエネルギーの少なくとも一部をポンプ１５２が使用するように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器１０が、気化室において気化室への供給配管の直径の少なくとも３倍へと広がっている膨張器１０８、膨張器１０８の縁を越えてあふれ出る作動液体を受け取るように構成された受け取り装置１１０、及びあふれ出る作動液体を運び去るように構成されたドレイン手段１１２を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、ドレイン手段１１２が、流れ制御手段１１４へ接続され、流れ制御手段１１４を、受け取り装置１１０にあふれ出る作動液体の水位を所定の範囲内に保つように制御することができる。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器１０が、気化させるべき水に溶存しているガスの少なくとも一部を、気化室を介して圧縮機によって吸い込まれることがないように、気化させるべき水から取り除くように構成された気体分離器を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、気体分離器が、取り除いた分のガスを、気化していない水によって運び去られるよう、気化していない水へと送るように配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器１０が、気化室１００において気化室の外側のドレイン１１２の直径の少なくとも３倍へと広がっている膨張器２００、気化室へと供給された作動液体を受け取るように構成された受け取り装置、及び前記受け取り装置に地下水を供給するための流入手段を備えており、前記膨張器が、作動流体が大きな直径を有している膨張器の縁を越えて小さい直径を有している膨張器の領域へと流れ、そこから排水路を介して流れ出るように、前記気化室に配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置が、気体分離器２２０、２２２を備えており、該気体分離器が、液化装置に蓄積する、水蒸気とは異なるガスを分離器の空間２２０から排出する。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置１８が、液化した作動液体を排出するためのドレイン２２を備えており、ドレイン２２が、蒸発器において気泡気化のための核生成効果をもたらすための部分２０４を、該蒸発器内に備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置からの水のためのドレインの一部分２０４が、少なくとも核形成のための核生成効果が一般的パイプ形態のドレインの滑らかな表面と比べて増加するような表面粗さを有する粗い領域２０６を含んでいる。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、ドレイン２２が、ノズル開口２３４を備えているノズルパイプ２３０へと接続されており、ノズル開口２３４が、ノズルパイプ２３０内に位置する作動流体を蒸発器内に位置する気化させるべき水へと送り込むことで、該蒸発器における気泡気化のために核生成効果をもたらす。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器が、熱交換器２３６と、該熱交換器への供給のための分岐管２３８と、ノズル開口２３４を備えているノズルパイプ２３０に接続された熱交換器ドレインとを備えており、熱交換器２３６が、入力側において、液化装置のドレイン２２へと接続され、液化装置のドレイン２２によって送り出される液体の暖かさが、ノズルパイプ２３０へと供給される作動流体へと伝えられて、蒸発器における気泡気化のために核生成効果がもたらされる。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置１８が、液化した作動液体を排出するためのドレイン２２を備えており、該ドレインが、接続位置１９４において揚水管１０２又は戻り流パイプ１１３へと接続され、接続位置１９４において、揚水管内又は戻り流パイプ１１３内の液体の圧力がドレイン２２に存在する圧力以下となっている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置１８が、液化した作動液体を排出するためのドレイン２２と圧力補償手段１９２を備えており、該ドレインは接続位置１９４において揚水管１０２又は戻り流パイプ１１３へと接続されており、圧力補償手段１９２は液化装置１８からのドレイン２２と接続位置１９４との間に配置され、かつ圧力補償手段１９２は液化装置１８から排出される水の圧力を、水が揚水管１０２又は戻り流パイプ１９２へと進入するように制御するように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置１８が、該液化装置から排出される水の圧力を、排出される水が下水道へと進入でき、あるいは土壌へと浸透できるような圧力まで高めるように構成されたポンプ１９２を備えたドレイン２２を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、圧縮機１６が、ラジアルフローホイール、半軸流ホイール、軸流ホイール、又はプロペラとして構成され、作動蒸気を圧縮すべく駆動することができる回転可能なホイールを備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置１８が少なくとも液化装置の水１８０によって途中まで満たすことができ、かつ最低レベルを上回る水位を保つように構成されている液化装置室を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置１８が、圧縮機１６の出力へと接続された蒸気供給配管１９８を備えており、該蒸気供給配管が、蒸気が最新の水位の直下で水１８０へと進入できるように水１８０の中に配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置１８が、圧縮された蒸気が液化装置内の水面の下方に配置されたパイプを介して液化装置へと送られるように構成されており、前記パイプが、ノズル開口を備えており、蒸気が該ノズル開口によって定められる領域を介して液化装置内の水へと進入する。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置が、突き出しているノズル開口２１２を備えたノズル板２１０を備えており、該ノズル板が、液化装置内の水１８０の水位が突き出しているノズル開口２１２とノズル板２１０との間に位置するように液化装置内に配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置１８が、冷たい作動液体を凝縮点へと運ぶため、又は熱を冷たい作動液体へと運ぶために、液化した作動液体を循環させる循環ポンプ２０２を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置が、暖房用の前進流２０ａと、液化装置の水１８０への暖房の戻り流２０ｂとを備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、暖房の戻り流２０ｂの一部分にタービン３１０が配置されており、タービン３１０によって暖房システム３００内の高圧が液化装置１８０の水１８０の低い圧力へ下げられ、このプロセスにおいて暖房用の水からエネルギーが抽出され、さらにタービン３１０が、暖房用の水を液化装置における低い圧力から暖房システム３００における高圧にするためのポンプ３１２へ作用可能に接続されており、この作用的接続３１４はタービン３１０が抽出したエネルギーの少なくとも一部をポンプ３１２が使用するように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置１８が、暖房システム３００と液化装置とを液体に関して切り離すための熱交換器を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置１８が、狭い開口及び広い開口を備える膨張器２００を備えており、循環ポンプ２０２が前記狭い開口内に配置され、圧縮された蒸気を前記広い開口１９８へと送ることができるように、膨張器が液化装置の内部に配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、圧縮機１６が、互いに前後に配置された複数のダイナミック型圧縮機によって構成されており、作動蒸気が第１のダイナミック型圧縮機１７２によって中間の圧力へと圧縮され、最後のダイナミック型圧縮機１７４によって作動圧力へと圧縮される。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、互いに前後に配置された少なくとも２つのダイナミック型圧縮機が、互いに反対方向の回転方向にて駆動される軸流ホイールを備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、１つ以上の熱交換器１７０が、作動蒸気から熱を取りだしてその熱で水を加熱するために、第１のダイナミック型圧縮機１７２又はさらなるダイナミック型圧縮機１７４の下流に配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、熱交換器が、作動蒸気の温度を、最大で、先立つ圧縮機段１７２の前の温度よりも高温へと低下させる。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置、蒸発器又は圧縮機における騒音を少なくとも６ｄＢ減衰させるように構成された遮音２０８をさらに備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、目標温度を維持し、実際の温度を検出し、目標温度が実際の温度よりも高い場合に圧縮機１６の出力圧力又は出力量を大きくし、目標温度が実際の温度よりも低い場合に出力圧力又は出力量を小さくするように前記圧縮機を制御する制御部２５０を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、少なくとも気化室、圧縮機のハウジング、液化装置のハウジング又はダイナミック型圧縮機のラジアルフローホイールが、プラスチックで作られている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、ダイナミック型圧縮機１６が、１つ以上の内側半径から１つ以上の外側半径まで延びる複数の羽根２６２、２７２、２７４、２７６を備えているラジアルフローホイール２６０を備えたラジアルフロー圧縮機を備えており、前記羽根が、前記ラジアルフローホイールに関して、該ラジアルフローホイールの異なる半径Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、ｒ1から外側へと延びている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、少なくとも１つの羽根２７２が、ラジアルフローホイール２６０に関して半径ｒWから外側へと延びている２つの羽根２６２の間に配置され、少なくとも１つの羽根２７２が、ラジアルフローホイール２６０に関してより大きい半径Ｒ1から外側へと延びている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、ラジアルフローホイール２６０が、ベース２６６及びカバー２６８を備えており、ラジアルフローホイール２６０において他の羽根２６２よりも大きな半径Ｒ1から外側へと延びている少なくとも１つの羽根２７２が、カバー２６８及びベース２６６の両方に一体に接続されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、圧縮のステップにおいて圧縮される水の温度が８０℃よりも低く、気化のステップにおいて生成される蒸気の温度が１２０℃よりも高い。
本発明の好ましい一実施形態において、コンピュータプログラムは演算装置上で作動するときに本発明の方法を実行するためのプログラムコードを有している。
【国際調査報告】
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