(57)【要約】【課題】  経済性や運用性の改善された自然冷媒ヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】  蒸発器１１で気化されたＣＯ2等の自然冷媒を、コンプレッサー１２で超臨界状態として熱交換器１４に送り、熱交換器１４を経て低温高圧状態となった自然冷媒を膨張させるサイクルを有する自然冷媒ヒートポンプにおいて、自然冷媒を膨張させる機構として膨張タービン１５１を用いる。膨張タービン１５１へ低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることでそのロータを高速回転させ、この回転力で発電機１５２を駆動して高周波電力を発電する。この発電電力をインバータ１６で商用周波数の電力に変換し、コンプレッサー１２の動力源である電動機１３へ給電するよう構成する。【選択図】      図１
2005172336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然冷媒を圧縮機で高温高圧化して熱交換器に送り、該熱交換器を経て低温高圧状態となった自然冷媒を膨張させるサイクルを有する自然冷媒ヒートポンプにおいて、
前記自然冷媒を膨張させる機構として膨張タービンを用い、
該膨張タービンへ低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることで軸出力を得ると共に、この軸出力を前記圧縮機の動力源として用いることを特徴とする自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記圧縮機が電動機をその駆動動力源とする場合において、前記膨張タービンの軸出力を発電機に連結し、該発電機が発生した電力を、前記電動機に給電するよう構成したことを特徴とする請求項１記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記発電機が発生した電力を、インバータにより周波数変換した後に、電動機に給電するよう構成したことを特徴とする請求項２記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項４】
自然冷媒を圧縮機で高温高圧化して熱交換器に送り、該熱交換器を経て低温高圧状態となった自然冷媒を膨張させるサイクルを有する自然冷媒ヒートポンプであって、前記自然冷媒を膨張させる機構として膨張タービンを用い、該膨張タービンへ低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることで軸出力を得ると共に、前記膨張タービンの軸出力を発電機に連結した構成を有する自然冷媒ヒートポンプユニットと、
貯湯槽と、この貯湯槽に連結された水循環系統を具備し、前記自然冷媒ヒートポンプの熱交換器に、前記水循環系統の一部が組み入れられた貯湯ユニットとを備えてなり、
前記貯湯槽に電気ヒータを付設し、前記発電機が発生した電力にて前記電気ヒータを動作可能に構成したことを特徴とする自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項５】
自然冷媒を膨張タービンに導入する前に、該自然冷媒の液体分を分離するための冷媒液分離器をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項６】
膨張タービンが、熱交換器を経た自然冷媒が導入される第１の膨張タービンと、該第１のタービンから排出された自然冷媒が導入される第２の膨張タービンとを少なくとも備える複数段構成とされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【請求項７】
自然冷媒が前記第１の膨張タービンから排出されて第２の膨張タービンに導入される間に、大気温度を利用する中間熱交換器を経由するよう構成したことを特徴とする請求項６記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭用や業務用の給湯、風呂、暖房等に熱を供給するヒートポンプに関し、特にＣＯ2等の自然界に存在する冷媒を用いた自然冷媒ヒートポンプのシステム構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、オゾン層保護の観点から、フロン等の人為的に合成された冷媒ではなく、ＣＯ2、水、空気、アンモニア、ハイドロカーボン等の自然界に存在する物質を冷媒（このような冷媒を本明細書では「自然冷媒」という）として用いた熱システムが注目されており、実際このような自然冷媒を使用したヒートポンプ（以下、自然冷媒ヒートポンプという）システム応用品、例えば家庭用や業務用の自然冷媒ヒートポンプ給湯器が、既に多くの企業で商品化されて販売されている（例えば特許文献１、２参照）。
【０００３】
図４は、家庭や業務用の熱供給システムを構築するために用いられる、従来の自然冷媒ヒートポンプのシステム例を示している。このシステムは基本構成として、ヒートポンプユニット１０と貯湯ユニット２０とを備えている。そしてヒートポンプユニット１０は、蒸発器１０１、ＣＯ2圧縮機（コンプレッサー）１０２並びに該コンプレッサー１０２を駆動する電動機１０３、熱交換器１０４、及び膨張弁１０５を有し、これら機器は循環管路で連結されており、該管路内には自然冷媒、例えばＣＯ2が封入されている。
【０００４】
このような構成において、先ず前記自然冷媒（ＣＯ2）は蒸発器１０１において熱交換作用を受けて気体Ｐ１０とされ、コンプレッサー１０２へ送られる。そしてコンプレッサー１０２においてＣＯ2は圧縮され、約１３０℃の高温に加熱されて超臨界状態とされた超臨界流体Ｐ２０となり、熱交換器１０４へ送られる。熱交換器１０４でＣＯ2は、貯湯ユニット２０の貯湯槽２０１から循環されて来る水と熱交換して約６０〜９０℃程度まで昇温させ、温水Ｗを生成する。一方、ＣＯ2自身は常温近くまで冷却され、常温流体Ｐ３０となる。この時点でＣＯ2はまだ高圧の超臨界状態であるために、膨張弁１０５で断熱膨張され、大部分が液体ＣＯ2でその一部が気体ＣＯ2である二相流体Ｐ４０となる。しかる後、ＣＯ2二相流体Ｐ４０は蒸発器１０１へ戻り、空気中から熱を取り込み常温まで昇温されて気化して気体Ｐ１０となり、上述のサイクルが繰り返されるものである。
【０００５】
他方、生成された温水Ｗは貯湯槽２０１へ送られる。この場合貯湯槽２０１内の水温分布は、上層部が約６０〜９０℃の高温、下層部が常温の温度混合層になる。この貯湯槽２０１から必要に応じて給湯、風呂用の湯が供給され、また不足する水は水道水等から貯湯槽２０１へ給水される。このような自然冷媒ヒートポンプを用いた熱供給システムによれば、熱交換器１により大気の熱を取り込むために、使用する電力量と大気の熱を給湯用エネルギーとして使用でき、ＣＯＰ（利用できる熱エネルギー量／使用する電力エネルギー量）は３となり、非常に経済的なシステムを構築することができる。
【０００６】
図５（イ）に、上述したようなＣＯ2自然冷媒ヒートポンプのＴ−Ｓ線図を、図５（ロ）に、Ｐ−Ｉ線図をそれぞれ示しておく。なお、これら線図における（ａ）〜（ｄ）の記号は、Ｔ−Ｓ線図中に略記しているヒートポンプシステム図に付されている記号（ａ）〜（ｄ）と対応し、当該部位の状態を示すものである。従って、図４中の矢印Ｐ１０＝（ａ）、Ｐ２０＝（ｂ）、Ｐ３０＝（ｃ）、Ｐ４０＝（ｄ）という対応関係となる。図５（イ）、（ロ）において、状態（ａ）における２ＭＰａ，−３℃のＣＯ2ガスはコンプレッサーで圧縮され、状態（ｂ）の１００℃（上述の例では約１３０℃として説明），１０ＭＰａの高圧臨界流体となる。その後、熱交換器に入り、貯湯槽の給水と熱交換され、状態（ｃ）の約１８℃程度まで温度が低下する一方で、１０ＭＰａの高圧臨界状態が維持された常温高圧臨界流体となる。この状態で膨張弁により、状態（ｄ）の通り２ＭＰａ，−３℃まで膨張して大部分は液化し、一部は気化してＣＯ2ガス化する二相流体となる。しかる後、蒸発器により全てが気体のＣＯ2ガスになる。このサイクルを繰り返すことにより熱交換器で給湯水が製造されるものである。
【特許文献１】特開２００３−１８５３０６号公報
【特許文献２】特開２００２−３７２３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したような自然冷媒ヒートポンプシステムでは、ＣＯ2圧縮機（コンプレッサー）１０２の駆動のために電動機１０３を使用しており、当該ヒートポンプの運転中は電力を消費することになる。この種ヒートポンプシステムの一般家庭用のものでは、電動機１０３の電力消費量は１．０〜１．５ｋＷ程度である。現状では自然冷媒ヒートポンプによる給湯器のランニングコストはガス給湯器に比べて１／５程度と優位性を有しているが、設備コストは４〜５倍程度を要してしまうのが通常であり、ガス給湯器から自然冷媒ヒートポンプ給湯器への代替を目指すには、設備償却を考慮するとさらにランニングコストを下げる必要がある。
【０００８】
また、家庭等の電力は昼間と夜間では価格に大きな差が有り（昼間は２４円／ｋＷｈ，夜間は７円／ｋＷｈ程度）、このため自然冷媒ヒートポンプは経済的といえども、安価な深夜電力を使用して夜間に貯湯槽に湯を蓄えておく必要がある。かかる貯湯を行うため、貯湯槽容量としては、家族の人数やライフスタイルによるが、３５０〜４５０リットル程度のタンクが必要となり、電気温水器の場合と同様に設置スペース面での制約が生じるという問題がある。
【０００９】
以上の通り、自然冷媒ヒートポンプシステム（給湯器）のランニングコストをさらに下げる必要性に加え、貯湯槽容量を小さくしてスペース面の問題を解消する一方で、昼間電力を使用してヒートポンプを運転して貯湯槽容量縮小分を補う運転方式としても十分経済的となるような改良を為す必要性がある。また別観点の問題として、現状の自然冷媒ヒートポンプでは、高圧の超臨界状態とされたＣＯ2を、膨張弁を使用して常圧にして液化させているが、かかる高圧エネルギーが有効利用されていないと言え、このエネルギーを回収して経済性や運用性を改善する必要性がある。
【００１０】
本発明は、これらの必要性に鑑みてなされたものであって、超臨界状態とされた自然冷媒が保有する高圧エネルギーを有効活用し、自然冷媒ヒートポンプを用いた給湯器等のシステムの、ランニングコストの低減を図り得る自然冷媒ヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、自然冷媒を圧縮機で高温高圧化して熱交換器に送り、該熱交換器を経て低温高圧状態となった自然冷媒を膨張させるサイクルを有する自然冷媒ヒートポンプにおいて、前記自然冷媒を膨張させる機構として膨張タービンを用い、該膨張タービンへ低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることで軸出力を得ると共に、この軸出力を前記圧縮機の動力源として用いることを特徴とするものである。
【００１２】
従来のシステム構成においては、膨張弁を使用して自然冷媒たるＣＯ2圧力を常圧まで降下させているが、約１０ＭＰａの高圧のＣＯ2超臨界流体を単純に約２ＭＰａまで膨張させているのみで、高圧エネルギーの回収をしていない。そこで本発明では、自然冷媒の降圧機器（膨張機構）として膨張タービンを使用し、該膨張タービンへ低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることで軸出力を得るようにし、自然冷媒を膨張させると同時に膨張タービンの軸出力という回転動力を生成させることで高圧エネルギーの回収を行う構成とした。そして前記膨張タービンの軸出力を前記圧縮機の動力源として用いることで、当該圧縮機の駆動負担の軽減化を図るものである。
【００１３】
膨張タービンの軸出力を圧縮機の動力源として活用する方法としては特に制限はない。膨張タービンの回転軸を圧縮機の回転駆動系とクラッチ機構やギア機構等を介して連結する等して直接的に活用しても良いし、膨張タービンの軸出力を何らかのエネルギーに置換した上で間接的に活用するようにしても良い。
【００１４】
請求項２にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項１において、前記圧縮機が電動機をその駆動動力源とする場合において、前記膨張タービンの軸出力を発電機に連結し、該発電機が発生した電力を、前記電動機に給電するよう構成したことを特徴とする。すなわちこの構成は、膨張タービンの軸出力を、発電機を用いて電気エネルギー（電力）に置換し、このようにして得られた回収電力を、圧縮機を駆動する電動機を動作させる動作電源の一部として活用する態様である。
【００１５】
請求項３にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項１において、前記発電機が発生した電力を、インバータにより周波数変換した後に、電動機に給電するよう構成したことを特徴とする。前記膨張タービンが回転数制御手段等を備えていない場合、その回転数は不安定となり、またかなりの高速回転を行うこととなるため、このような膨張タービンにて発電機をダイレクトドライブした場合に得られる電力は不安定な高周波電力となって、商用電力系統で運転される一般的な電動機の駆動には不向きである。そこで、発電機が発電する電力と、電動機を動作させる電力との周波数調整を行うために、インバータを介在させてその周波数変換を行うようにすることで、発電機が発生する高周波交流電力をインバータにより６０Ｈｚ／５０Ｈｚの商用交流電力に変換した上で、電動機へ給電させるようにする。これにより、発電機が発生する電力が商用電力系統における電力と同質化され、当該電動機において商用電力と本発明のシステムにより発生された電力とを併用できるようになる。
【００１６】
請求項４にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、自然冷媒を圧縮機で高温高圧化して熱交換器に送り、該熱交換器を経て低温高圧状態となった自然冷媒を膨張させるサイクルを有する自然冷媒ヒートポンプであって、前記自然冷媒を膨張させる機構として膨張タービンを用い、該膨張タービンへ低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることで軸出力を得ると共に、前記膨張タービンの軸出力を発電機に連結した構成を有する自然冷媒ヒートポンプユニットと、貯湯槽と、この貯湯槽に連結された水循環系統を具備し、前記自然冷媒ヒートポンプの熱交換器に、前記水循環系統の一部が組み入れられた貯湯ユニットとを備えてなり、前記貯湯槽に電気ヒータを付設し、前記発電機が発生した電力にて前記電気ヒータを動作可能に構成したことを特徴とする。このシステムは、貯湯槽を備えた所謂ヒートポンプ給湯装置において、例えば圧縮機の駆動をガスエンジンのような電力を使用しない機器を用いる場合も、膨張タービンの軸出力を発電機に連結して得た電気エネルギーで、貯湯槽に付設した電気ヒータを動作させ、これにより貯湯槽内の貯湯をさらに高温に加熱して高温水として利用可能とするものである。
【００１７】
請求項５にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項１〜４のいずれかにおいて、自然冷媒を膨張タービンに導入する前に、該自然冷媒の液体分を分離するための冷媒液分離器をさらに有することを特徴とする。圧縮機で高温高圧（超臨界状態）化された自然冷媒を熱交換器で冷却すると、その一部が液体化して析出する可能性があり、これを膨張タービンにそのまま導入するとタービン翼が損傷してしまう危惧がある。そこで自然冷媒の液体分を分離する冷媒液分離機を設け、液体分を分離した状態で超臨界状態の自然冷媒を膨張タービンに導入可能としたものである。
【００１８】
請求項６にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項１〜４のいずれかにおいて、膨張タービンが、熱交換器を経た自然冷媒が導入される第１の膨張タービンと、該第１のタービンから排出された自然冷媒が導入される第２の膨張タービンとを少なくとも備える複数段構成とされていることを特徴とする。この構成によれば、熱交換器を経た自然冷媒の圧力が相当高い場合に、圧力の段階的な有効活用が図れると共に、例えば第１、第２の膨張タービンにそれぞれ発電機を連結し、一方の発電機が発生した電力を圧縮機駆動用の電動機へ、他方の発電機が発生した電力を貯湯槽に付設した電気ヒータへそれぞれ給電するというような運用が可能となる。なお、第１、第２の膨張タービンの二段構成だけでなく、三段以上の多段構成としても勿論良い。
【００１９】
請求項７にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、請求項６において、自然冷媒が前記第１の膨張タービンから排出されて第２の膨張タービンに導入される間に、大気温度を利用する中間熱交換器を経由するよう構成したことを特徴とする。例えば、約１０ＭＰａの高圧超臨界状態にある自然冷媒を単段の膨張タービンで単純に膨張させた場合、自然冷媒のガス温度が極度に低下する恐れがある。そこで、エネルギー回収の膨張タービンを請求項５の構成の如く複数段にするだけでなく、各段の中間に大気温度を利用する中間熱交換器を組み込むことで、圧力が低下した自然冷媒を大気温度まで昇温させるようにする。かかる昇温を行った後に次段の膨張タービンに自然冷媒を導入することにより、当該次段の膨張タービンへより高温状態で自然冷媒を導入できるようになる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、膨張タービンを用い、自然冷媒の膨張力を膨張タービンの軸出力という形で高圧エネルギーの回収を行い、該軸出力を前記圧縮機の動力源として用いるので、圧縮機を駆動させるために必要な動力エネルギーを軽減することができ、ヒートポンプシステム全体としての経済性を改善することができる。また、この膨張タービン方式は、家庭用の小型機にも業務用等の大型機にも適用可能であり、特に大型機については自然冷媒の流量や圧力がハイレベルであるため膨張タービンシステムの駆動に適し、スケールアップ効果も発生するために経済性はさらに高くなる。
【００２１】
請求項２にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、膨張タービンの軸出力を発電機と必要に応じてインバータを付設して電気エネルギーとして回収し、これを圧縮機を駆動させる電動機の動作電源として活用する構成であるので、ヒートポンプシステムとしての電力使用量を減少させることができ、全体としての経済性が改善する。また、電気使用量が減少するために、電力料金が高い昼間に運転しても経済性が高くなることから、貯湯槽湯量は風呂給湯に必要な１００〜２００リットル程度に少なくでき、洗面所や台所で必要とする間歇的な給湯はヒートポンプシステムを昼間運転することにより供給しても経済性が得られるようになるという効果を奏する。
【００２２】
請求項３にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、例えば発電機が発生する高周波電力をインバータにより６０Ｈｚ／５０Ｈｚの商用交流電力に変換した上で、電動機へ給電させるようにすることができるので、一般的に汎用されている電動機を用い、前記発電機の発生電力と商用電力とを併用して本発明にかかるシステムを運用でき、その経済性をより向上させることができる。
【００２３】
請求項４にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、膨張タービンの軸出力を発電機に連結して得た電気エネルギーで、貯湯槽に付設した電気ヒータを動作させ、これにより貯湯槽内の貯湯をさらに高温に加熱して高温水として利用可能とする構成であるので、例えば自然冷媒ヒートポンプ本体で比較的低温の温水を生成して貯湯槽に送り、前記電気ヒータにてさらに加温して比較的高温の温水を生成するという運用が可能となる。つまり、自然冷媒ヒートポンプ本体をサイクル効率の高い領域で運転して低温水を生成し、その自然冷媒ヒートポンプ本体からの回収エネルギーで動作される電気ヒータで高温水化するという運用ができるので、システムの運用面での経済性を高くすることができる。
【００２４】
請求項５にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、自然冷媒の液体分を分離する冷媒液分離機を設け、液体分を分離した状態で超臨界状態の自然冷媒を膨張タービンに導入可能としたので、膨張タービンのタービン翼の損傷等を未然に防止でき、システムの長寿命化、メンテナンスフリー化（メンテナンス負担の軽減化）を図ることができるようになる。
【００２５】
請求項６にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、例えば第１、第２の膨張タービンにそれぞれ発電機を連結し、一方の発電機が発生した電力を圧縮機駆動用の電動機へ、他方の発電機が発生した電力を貯湯槽に付設した電気ヒータへそれぞれ給電するというような運用が可能となるので、回収エネルギーのより多面的な活用が可能となり、適用されるヒートポンプシステムにとって最適な回収エネルギー活用設計が行い易くなるという効果を奏する。
【００２６】
請求項７にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、中間熱交換器にて圧力が低下した自然冷媒を大気温度まで昇温させるようにするので、次段の膨張タービンにおけるエネルギー回収性をより高めることができる。また中間熱交換器で回収した冷気を空調用等に活用すれば、より効果的なシステム運用を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。
（第１実施形態）
図１は本発明にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成例を示すブロック図である。このシステムは基本構成として、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とを備えている。そしてヒートポンプユニット１は、蒸発器１１、自然冷媒の圧縮機（コンプレッサー）１２並びに該コンプレッサー１２を駆動する電動機１３、熱交換器１４、膨張タービン１５１とその出力軸に連結された発電機１５２とからなる発電装置１５、及び冷媒液分離器１７などを有し、これら機器は循環管路で連結されており、該管路内には自然冷媒、例えばＣＯ2が封入されている。
【００２８】
蒸発器１１は、大気中の熱を取り込んで自然冷媒を気化させるためのものであり、例えば自然冷媒を流通可能とした伝熱管を蛇行させ、この蛇行伝熱管に熱交換フィンを多数枚取り付けた構成のものを用いることができる。
【００２９】
コンプレッサー１２は、蒸発器１１から送られて来る自然冷媒を圧縮して高温高圧化するもので、各種の気体圧縮機が使用でき、二段圧縮ロータリー式の圧縮機等も使用することができる。本実施形態では電動機１３にてコンプレッサー１２を駆動させる態様を例示しているが、ガスエンジン方式や、膨張タービン１５１の回転軸で直接駆動される形式であっても良い。後者の場合、例えばコンプレッサー１２、膨張タービン１５１、及び電動機１３を一軸で構成し、膨張タービン１５１でコンプレッサー１２を直接駆動すると共に、不足する動力を商用電力で運転される電動機から供給する形式とすることができる。このコンプレッサー１２による自然冷媒の圧縮は、自然冷媒を超臨界状態にまで高温高圧化することを目的とし、自然冷媒としてＣＯ2を使用した場合には、このＣＯ2ガスはコンプレッサー１２で１０〜２０ＭＰａ程度に圧縮されると共に、約１３０℃の高温に加熱され、超臨界状態とされる。
【００３０】
熱交換器１４は、高温高圧の超臨界状態にある自然冷媒が保有する熱を、低温状態にある他の熱吸収媒体に伝熱するための機器である。前記熱吸収媒体は、当該自然冷媒ヒートポンプシステムが例えば給湯用途である場合は水であり、空調用途である場合には空気となる。本実施形態では、給湯用途を例示しており、この場合熱交換器１４内には後述する通り水が流通可能とされ、自然冷媒が保有する熱がこの水に与えられることとなる。そしてこの熱の授受により、水は加温される一方で、自然冷媒（ＣＯ2）自身は常温近くまで冷却されることになる。
【００３１】
発電装置１５は、膨張タービン１５１と、この膨張タービン１５１の軸出力に回転子の回転軸が連結された発電機１５２とからなる。膨張タービン１５１は、例えばその内部に回転自在に配置されているタービンインペラとロータ（回転体）に対して高圧気体を供給し、該高圧気体が断熱膨張するときのエネルギーをタービンインペラで受け、これをロータの回転力に変換（軸出力に変換）する機構を有するものが用いられる。本実施形態では、熱交換器１４を経て常温近くまで冷却されているが超臨界状態を保ったままのＣＯ2自然冷媒が、この膨張タービン１５１へ導入される。そして該膨張タービン１５１内で超臨界状態のＣＯ2は断熱膨張し、このときのエネルギーが前記タービンインペラを介して数千〜数万回転の高速ロータ回転力として出力（軸出力）される。
【００３２】
発電機１５２の回転子はかかる軸出力で回転駆動されて同期高速回転し、高周波の交流電力を発電する。このような高周波交流電力は、そのままでは動力用電源として用いることができない。そこでインバータ１６を設置し、発電機１５２が発生する出力電圧をインバータ１６へ入力し、高周波交流電力を６０Ｈｚないし５０Ｈｚの商用周波数電力に変換させるようにする。インバータ１６の出力を送電する電力ケーブル１６１は、前記電動機１３の給電線路１３１と電気的に接続されており、インバータ１６で周波数変換されて出力された電力Ｄは、電力ケーブル１６１及び給電線路１３１を通して、コンプレッサー１２を駆動する電動機３の動作電源の一部として使用される。
【００３３】
冷媒液分離器１７は、自然冷媒を膨張タービン１５１に導入する前に、該自然冷媒中の液体分を分離するための機器である。すなわち、熱交換器１４を経由するとＣＯ2自身は常温近くまで冷却されることになり、凝縮が起きてその一部が液体ＣＯ2となる場合がある。このように液体成分を含有したままで膨張タービン１５１へＣＯ2を導入すると、膨張タービン１５１のタービン翼（タービンインペラ）が損傷してしまう危惧があることから、この冷媒液分離器１７によって液体成分を除去するものである。
【００３４】
一方貯湯ユニット２は、貯湯槽２１及び第１乃至第３の配管路２２、２３、２４を備えている。貯湯槽２１は給湯すべき温水を貯留するためのものであり、家庭用の場合は１００〜５００リットル程度の容積を備えるタンクが用いられる。第１の配管路２２は貯湯槽２１の底部を起点とし、前記熱交換器１４内を経由し、貯湯槽２１の上層部へ至る閉管路を構成している。すなわち、貯湯槽２１底部から吐出される冷水を熱交換器１４へ導いて熱交換させ、温水化した後に貯湯槽２１の上層部へ還流させる閉管路である。第２の配管路２３は、貯湯槽２１の上層部にその一端が配置され、熱交換器１４を経て加温された温水を各種の給湯設備（図示省略）へ給湯するための管路である。また第３の配管路２４は、貯湯槽２１の底部にその一端が配置され、給湯設備への給湯により不足した水を貯湯槽２１へ補給すべく、上水道設備（図示省略）と連結する管路である。
【００３５】
以上の通り構成された自然冷媒ヒートポンプシステムの動作を、自然冷媒であるＣＯ2のヒートポンプユニット１内における相変位に関連づけて説明する。先ずヒートポンプユニット１の閉管路内に封入されているＣＯ2は、蒸発器１１において熱交換作用を受けて気体Ｐ１とされ、コンプレッサー１２へ送られる。そして電動機１３で駆動されているコンプレッサー１２においてＣＯ2は、１０〜２０ＭＰａ程度に圧縮され、約１３０℃の高温に加熱されて超臨界状態の流体Ｐ２となる。
【００３６】
次いでこの超臨界流体Ｐ２となったＣＯ2は、熱交換器１４へ送られる。熱交換器１４でＣＯ2は、貯湯ユニット２の配管路２２を介して貯湯槽２１から循環されて来る水Ｗ２と熱交換して約６０〜９０℃程度まで昇温させ、温水Ｗ１を生成する。一方、熱を受け渡したＣＯ2自身は常温近くまで冷却される。しかし、この時点でＣＯ2はまだ高圧の超臨界状態であり、低温高圧の流体Ｐ３となる。そして熱交換による凝縮により、その一部が液体ＣＯ2化する場合がある。而して前記液体ＣＯ2は冷媒液分離機１７にて分離され、低温高圧流体Ｐ３の状態であるＣＯ2は、その気体成分のみが膨張タービン１５１へ導入されることとなる。一方、冷媒液分離機１７にて分離された液体ＣＯ2は、弁１８が閉じられている間、冷媒液分離機１７内に滞留する。
【００３７】
膨張タービン１５１内で低温高圧流体Ｐ３の状態であるＣＯ2は断熱膨張され、大部分が液体ＣＯ2となり、その一部が気体ＣＯ2である二相流体Ｐ４２となる。この断熱膨張時のエネルギーにより、前述の通り膨張タービン１５１が備えるロータが超高速回転され、この回転力が発電機１５２の回転子へ伝達され、発電機１５２では高周波電力の発電が行われる。そして該高周波電力はインバータ１６で商用周波数電力に変換され、電動機１３の動作電源として給電される。このような仕事を終え、二相流体Ｐ４２となったＣＯ2は蒸発器１１へ向けて送られる。一方、冷媒液分離機１７内に滞留している液体ＣＯ2も、弁１８が閉から開とされることで、前後の差圧により液体Ｐ４１の状態で蒸発器１１へ向けて送られる。
【００３８】
上記二相流体Ｐ４２状態となったＣＯ2と、液体Ｐ４１状態のＣＯ2とは合流し、ほとんどが液体の状態の流体Ｐ５となって、蒸発器１１へ導入される。そして蒸発器１１において大気との熱交換が行われ、ＣＯ2は気体Ｐ１となってコンプレッサー１２へ再び送られる。以上のようなサイクルが、このヒートポンプユニット１内で繰り返されるものである。
【００３９】
一方貯湯ユニット２側においては、熱交換器１４で昇温された約９０℃の温水Ｗ１は、配管路２２を介して貯湯槽２１の上層部に送られる。このような高温の温水Ｗ１が投入されることで、貯湯槽２１内の上層部は約９０℃の高温水、下層部は常温に近い混合層を形成することとなる。この貯湯槽２１の上層部から必要に応じて、配管路２３を介して給湯や風呂用の温水Ｗ３が供給される。また、給湯に使用した水量に相当する分の水Ｗ０が、配管路２４を介して給水される。以上のようなサイクルが、貯湯ユニット２１内で繰り返されるものである。
【００４０】
以上の通り構成された自然冷媒ヒートポンプシステムにあっては、コンプレッサー１２の駆動源として電動機３を使用しており、電力を必要とするものであるが、その駆動に必要な電力の一部を膨張タービン１５１で回収した加圧エネルギーから生成した電力を供給するために、当該自然冷媒ヒートポンプシステムを稼動させるために必要な外部動力を減少させることができる。また、蒸発器１１により大気の熱を取り込んで熱交換の起点としているために、使用する電力量と大気の熱を給湯用エネルギーとして使用でき、ＣＯＰは従来型の３よりもさらに向上できる経済的なシステムとなる。
【００４１】
膨張タービン１５１で可能な発電電力の概算についての計算例を示しておく。膨張タービン１５１の発電電力は、熱交換器１４で水Ｗ２との熱交換後におけるＣＯ2の温度により異なる。すなわち、貯湯槽２１内の温水の温度が低い初期には、ＣＯ2の熱交換器１４の出口温度は２０℃程度の低い温度となるが、貯湯槽２１内の温水温度が高くなると４０〜６０℃と高くなる。この場合は、膨張タービンで利用できるエンタルピー量は増加することになる。一般家庭用のＣＯ2ヒートポンプにおける循環ＣＯ2量は約６０ｋｇ／ｈ程度であり、図５より、膨張タービン１５１で利用できるエンタルピー量は８０〜１６０ｋＪ／ｋｇと推定されるので、発電電力は次式より１．３４〜２．６９ｋＷｈとなる。
80〜160ｋＪ／ｋｇ×60ｋｇ／ｈ×2.8×10-4ｋＷｈ／ｋＪ＝1.34〜2.69ｋＷｈ
発電電力を１．３４ｋＷｈとして、膨張タービン、発電機、インバータの合計効率を約４０％と仮定すると、５３６Ｗの発電が可能となる。
【００４２】
また経済性に関し、膨張タービン１５１に発電機１５２とインバータ１６とを組み付け、断熱膨張エネルギーを電気エネルギーとして回収することにより、ヒートポンプシステムの電力使用量が減少することになるが、その概算計算値を示しておく。従来型の一般家庭用のＣＯ2ヒートポンプシステムにおける１ケ月の電気使用量は約１８０ｋＷｈであり、深夜電力換算（７円／ｋＷｈ）でのランニングコストは約１２６０円／月となる。仮に、コンプレッサー１３の容量が１．５ｋＷ、膨張タービン１５１を用いた発電装置１５による発電容量が約５００Ｗであるとした場合、１ケ月の電気使用量は１２０ｋＷｈに減少し、ランニングコストは深夜電力換算で約８４０円／月となり、年間５，０４０円節約される。膨張タービン１５１、発電機１５２、及びインバータ１６のエネルギー回収設備を５年で回収するには、この設備の追加費用が２５，０００円程度であれば回収は可能となる。また、昼夜間に運転する場合は、電気代の比（昼間２３円／夜間７円）より８２，０００円程度であれば設備回収は可能となる。さらに、この場合ＣＯＰは３から４．５に向上することとなる。
【００４３】
（第２実施形態）
図２は、本発明にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの他の構成例を示すブロック図である。このシステムも基本構成として、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とを備えている点で上述の第１実施形態と同一であるが、膨張タービンを第１の膨張タービン１５１ａと第２の膨張タービン１５１ｂの２段構成とした点において相違する。以下、かかる相違点を中心に本実施形態を説明する。
【００４４】
本実施形態では、熱交換器１４の出口側に第１の膨張タービン１５１ａが配置され、さらに第１の膨張タービン１５１ａの出口側に第２の膨張タービン１５１ｂが配置されており、熱交換器１４を経た自然冷媒（ＣＯ2）が第１の膨張タービン１５１ａへ導入され、さらに第１の膨張タービン１５１ａから排出されたＣＯ2が第２の膨張タービン１５１ｂへ導入される構成とされている。そして第１の膨張タービン１５１ａのロータには第１の発電機１５２ａが連結されて第１の発電装置１５ａが構成され、また第２の膨張タービン１５１ｂのロータには第２の発電機１５２ｂが連結されて第２の発電装置１５ｂが構成されている。
【００４５】
第１の発電機１５２ａ及び第２の発電機１５２ｂの出力側には、各発電機が発生する高周波電力を商用周波数電力へ周波数変換するインバータ１６ａ、１６ｂがそれぞれ接続されている。そしてインバータ１６ａから出力された電力Ｄ１は第１の分岐電力ケーブル１６１ａを経由して、またインバータ１６ｂから出力された電力Ｄ２は第２の分岐電力ケーブル１６１ｂを経由して、通して、電力ケーブル１６１及び給電線路１３１を通して給電され、コンプレッサー１２を駆動する電動機３の動作電源の一部として使用されるようになっている。なお、本実施形態では、第１、第２の発電装置１５ａ、１５ｂの発電電力をいずれも電動機３へ向けて給電する例を示しているが、一方の発電装置の発電電力を他の用途に用いても良く、例えば後述の第３実施形態において貯湯槽２１に付設する電気ヒータ４に給電するようにすることもできる。
【００４６】
さらに本実施形態では、第１の膨張タービン１５１ａと第２の膨張タービン１５１ｂとの間に、大気温度を利用する中間熱交換器３が配置されている例を示している。この中間熱交換器３は、第１の膨張タービン１５１ａのＣＯ2出口温度が大気温度よりもかなり低下している場合において、大気と熱交換してＣＯ2を常温まで再度昇温する役目を果たす。このような中間熱交換器３を設けることにより、第１の膨張タービン１５１ａで膨張されて圧力が低下したＣＯ2を大気温度まで昇温させた上で次段の第２の膨張タービン１５１ｂにＣＯ2を導入できるので、第２の膨張タービン１５１ｂへより高温状態でＣＯ2を導入でき、第２の膨張タービン１５１ｂにおけるエネルギー回収性を高めることができるようになる。
【００４７】
なお、本実施形態では、２つの冷媒液分離器１７ａ、１７ｂが所定箇所に配置される。すなわち、第１の冷媒液分離器１７ａは、熱交換器１４を経由したＣＯ2から液体ＣＯ2成分を分離するために第１の膨張タービン１５１ａの入口側に設けられ、第２の冷媒液分離器１７ｂは、前記中間熱交換器３を経由したＣＯ2から液体ＣＯ2成分を分離するために第２の膨張タービン１５１ｂの入口側に設けられるものである。
【００４８】
以上の通り構成された第２実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの動作を、自然冷媒であるＣＯ2のヒートポンプユニット１内における相変位に関連づけて説明する。先ずヒートポンプユニット１の閉管路内に封入されているＣＯ2は、蒸発器１１において熱交換作用を受けて気体Ｐ１とされ、コンプレッサー１２へ送られる。そして電動機１３で駆動されているコンプレッサー１２においてＣＯ2は、１０〜２０ＭＰａ程度に圧縮され、約１３０℃の高温に加熱されて超臨界状態の流体Ｐ２となる。
【００４９】
次いでこの超臨界流体Ｐ２となったＣＯ2は熱交換器１４へ送られ、貯湯ユニット２の配管路２２を介して貯湯槽２１から循環されて来る水Ｗ２と熱交換して約６０〜９０℃程度まで昇温させ、温水Ｗ１を生成する。一方、熱を受け渡したＣＯ2自身は常温近くまで冷却されるが、この時点でＣＯ2はまだ高圧の超臨界状態であり、低温高圧の流体Ｐ３となる。このとき発生する液体ＣＯ2は第１の冷媒液分離機１７ａにて分離され、低温高圧流体Ｐ３の状態であるＣＯ2は、その気体成分のみが第１の膨張タービン１５１ａへ導入されることとなる。一方、第１の冷媒液分離機１７ａにて分離された液体Ｐ４１の状態のＣＯ2は、弁１８が閉じられている間、第１の冷媒液分離機１７ａ内に滞留する。
第１の膨張タービン１５１ａ内で低温高圧流体Ｐ３の状態であるＣＯ2は断熱膨張され、大部分が液体ＣＯ2となり、その一部が気体ＣＯ2である二相流体Ｐ４２となる。この断熱膨張時のエネルギーにより、第１の膨張タービン１５１ａが備えるロータが超高速回転し、この回転力が第１の発電機１５２ａの回転子へ伝達され、第１の発電機１５２ａでは高周波電力の発電が行われる。そして該高周波電力は第１のインバータ１６ａで商用周波数電力Ｄ１に変換され、該電力Ｄ１は第１の分岐電力ケーブル１６１ａを経由して電動機１３の動作電源として給電される。ここまでの動作は、上述の第１実施形態と実質的に同様である。
【００５０】
このような仕事を終え、圧力と温度が低下し二相流体Ｐ４２となったＣＯ2は中間熱交換器３へ送られる。この二相流体Ｐ４２の温度、すなわち第１の膨張タービン１５１ａの出口温度が大気温度よりもかなり低い場合、中間熱交換器３で大気と前記二相流体Ｐ４２とが熱交換され、ＣＯ2は常温まで再度昇温される。このような熱交換がなされても、ＣＯ2は未だ高圧の気体ＣＯ2と一部液体ＣＯ2とが混合した状態の流体Ｐ４３であるために、第２の冷媒分離器１７ｂで当該液体ＣＯ2が分離される。そして、その気体成分のみが第２の膨張タービン１５１ｂへ導入され、第２の冷媒液分離機１７ｂにて分離された液体Ｐ４４の状態のＣＯ2は、弁１８が閉じられている間、第２の冷媒液分離機１７ｂ内に滞留する。
【００５１】
低温高圧流体Ｐ４３の状態であるＣＯ2は、第２の膨張タービン１５１ｂ内で断熱膨張され、再び大部分が液体ＣＯ2となり、その一部が気体ＣＯ2である二相流体Ｐ４５となる。この断熱膨張時のエネルギーにより、第２の膨張タービン１５１ｂが備えるロータが超高速回転し、この回転力が第２の発電機１５２ｂの回転子へ伝達され、第２の発電機１５２ｂでは高周波電力の発電が行われる。そして該高周波電力は第２のインバータ１６ｂで商用周波数電力Ｄ２に変換され、該電力Ｄ２は第２の分岐電力ケーブル１６１ｂを経由して電動機１３の動作電源として給電される。
このような仕事を終え、二相流体Ｐ４５となったＣＯ2は蒸発器１１へ向けて送られる。一方、第１及び第２の冷媒液分離機１７ａ、１７ｂ内にそれぞれ滞留している、液体ＣＯ2も、弁１８が閉から開とされることで、前後の差圧により液体Ｐ４１、Ｐ４４の状態で蒸発器１１へ向けて送られる。
【００５２】
上記二相流体Ｐ４５状態となったＣＯ2と、液体Ｐ４１、Ｐ４４状態のＣＯ2とは合流し、ほとんどが液体の状態の流体Ｐ５となって、蒸発器１１へ導入される。そして蒸発器１１において大気との熱交換が行われ、ＣＯ2は気体Ｐ１となってコンプレッサー１２へ再び送られる。以上のようなサイクルが、このヒートポンプユニット１内で繰り返されるものである。なお、貯湯ユニット２における動作は、上述の第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
以上の通り構成された自然冷媒ヒートポンプシステムにあっては、コンプレッサー１２の駆動源としての電動機３の駆動に必要な電力の一部を、第１及び第２の膨張タービン１５１ａ、１５１ｂで回収した加圧エネルギーから生成した電力を供給するために、当該自然冷媒ヒートポンプシステムを稼動させるために必要な外部動力を減少させることができる。また、蒸発器１１により大気の熱を取り込んで熱交換の起点としているために、使用する電力量と大気の熱を給湯用エネルギーとして使用でき、ＣＯＰは従来型の３よりもさらに向上できる経済的なシステムとなる。しかも、第１及び第２の膨張タービン１５１ａ、１５１ｂで段階的にエネルギーを回収すると共に、両者間に中間熱交換器３を介在させる構成であるので、第１の膨張タービン１５１ａから排出された自然冷媒を大気の熱をとりこんで昇温した上で第２の膨張タービン１５１ｂ導入するので、ＣＯＰをさらに向上させることができるようになる。
【００５４】
（第３実施形態）
図３は、本発明にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの他の構成例を示すブロック図である。このシステムも基本構成として、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とを備えている点で上述の第１実施形態と同一であるが、発電装置１５で発生させた電力を、コンプレッサー１２を駆動させる電動機１３の電源として用いるのではなく、貯湯槽２１に付設した電気ヒータ４の動作電源として活用する点において相違する。以下、かかる相違点を中心に本実施形態を説明する。
【００５５】
上述した第１実施形態との構成上の相違は、貯湯槽２１に高周波電力を電源とする電気ヒータ（例えば誘導加熱方式の電気ヒータ）を付設し、発電装置１５の発電機１５２と前記電気ヒータ４とを電力ケーブル４１で直結した点であり、膨張タービン１５１の回転により発生された高周波電力をインバータで商用周波数に変換することなく電気ヒータ４に給電し、該電気ヒータ４が発する熱により貯湯槽２１の温水（水）を加熱させるようにしたシステムである。
【００５６】
ここで用いる電気ヒータとしては、上記の誘導加熱方式のヒータの他、抵抗加熱方式、赤外加熱方式のヒータ等も用いることができる。これら電気ヒータが、通常の商用周波数の電力を電源としている場合は、前述の実施形態のようにインバータを用いて周波数変換を行うようにすれば良い。また、電気ヒータ４の付設態様としては、貯湯槽２１に電気ヒータ４の加熱部分を突出させる、或いは吊り下げる（所謂投げ込み式のヒータの場合）、若しくは貯湯槽２１の壁面に電気ヒータ４を沿わせる等の態様を挙げることができる。
【００５７】
以上の通り構成された第３実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの動作を説明する。自然冷媒であるＣＯ2のヒートポンプユニット１内における相変位は、第１実施形態の場合と同一であるので重複部分の説明を省略するが、本実施形態では熱交換器１４における水Ｗ２との熱交換温度が約６０℃程度の比較的低温度に設定される点で相違する。これは、６０℃程度の熱交換温度に設定したときに、ＣＯ2ヒートポンプサイクルの効率が最も高くなることに着目したものである。従って、水Ｗ２は熱交換器１４を経ることで約６０℃程度の温水Ｗ１とされて貯湯槽２１へ供給される。
【００５８】
このような熱交換をして冷却された超臨界状態の流体Ｐ３であるＣＯ2は、冷媒液分離機１７で液体ＣＯ2分が分離された後、膨張タービン１５１へ導入される。そして膨張タービン１５１内でＣＯ2は断熱膨張し、そのときのエネルギーにより該膨張タービン１５１が備えるロータを高速回転させ、発電機１５２を駆動させて高周波電力を発生させる。ここで発生された高周波電力は、電力ケーブル４１を通して電気ヒータ４に給電され、電気ヒータ４を発熱させる。
【００５９】
電気ヒータ４の発熱により、貯湯槽２１内の温水は加熱されることとなり、前述の通り約６０℃に加熱されて温水Ｗ１として貯湯槽２１へ投入された温水は、約６０℃から９０℃の高温に昇温される。かかる昇温により、貯湯槽２１内の上層部は約９０℃の高温水、下層部は常温に近い混合層を形成することとなる。この貯湯槽２１の上層部から必要に応じて、配管路２３を介して給湯や風呂用の温水Ｗ３が供給される。また、給湯に使用した水量に相当する分の水Ｗ０が、配管路２４を介して給水されるものである。
【００６０】
以上の通り構成された自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、ヒートポンプユニット１の熱交換器１４における熱交換温度を、サイクル効率が良い比較的低温（約６０℃）に設定し、低温水から高温水への昇温（約６０℃から９０℃の昇温）を、膨張タービン１５１からの回収エネルギーで賄うといった運用を行うことができ、運用面での経済性を高くすることができる。この方式は、自然冷媒のコンプレッサー１２の駆動源がガスエンジン等のように電気を使用しない場合に適しているが、コンプレッサー１２の駆動源が電動機である場合でも勿論適用は可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。
【図４】従来の自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。
【図５】従来の家庭用自然冷媒ヒートポンプにおけるＴ−Ｓ線図（図イ）と、Ｐ−Ｉ線図（図ロ）である。
【符号の説明】
【００６２】
１（１０）    ヒートポンプユニット
１１（１０１）  蒸発器
１２（１０２）  コンプレッサー（ＣＯ2圧縮機）
１３（１０３）  電動機
１４（１０４）  熱交換器
（１０５）      膨張弁
１５、１５ａ、１５ｂ    発電装置
１５１、１５１ａ、１５１ｂ    膨張タービン
１５２、１５２ａ、１５２ｂ    発電機
１６、１６ａ、１６ｂ    インバータ
１６１    電力ケーブル
１６１ａ、１６１ｂ    分岐電力ケーブル
１７、１７ａ、１７ｂ    冷媒液分離器
１８    弁
２（２０）    貯湯ユニット
２１（２０１）  貯湯槽
２２、２３、２４    第１〜第３の配管路
３      中間熱交換器
４      電気ヒータ
【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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