(57)【要約】【課題】ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において適正量の冷媒を循環させることにより運転効率の向上を図れる。【解決手段】ランキンサイクル運転の状態においては、循環経路を流れる冷媒の仕事を回収して発電し、ヒートポンプサイクル運転の状態においては、外部から供給された電力を用いて冷媒を圧縮する、圧縮機兼膨張機１１と、循環経路を流れる冷媒の総量を調節する貯液タンク１５とを備える。ランキンサイクル運転からヒートポンプサイクル運転に切り替えた状態において、貯液タンク１５は、循環経路を流れる冷媒の総量をランキンサイクル運転の状態に比べて少なくする。【選択図】図１
2012247081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランキンサイクル運転とヒートポンプサイクル運転とを選択的に切り替え可能な発電兼ヒートポンプ複合システムであって、
前記ランキンサイクル運転の状態においては、循環経路を流れる冷媒の仕事を回収して発電し、前記ヒートポンプサイクル運転の状態においては、外部から供給された電力を用いて冷媒を圧縮する、圧縮機兼膨張機と、
前記循環経路を流れる冷媒の総量を調節する総量調節手段と
を備え、
前記ランキンサイクル運転から前記ヒートポンプサイクル運転に切り替えた状態において、前記総量調節手段は、前記循環経路を流れる冷媒の総量を前記ランキンサイクル運転の状態に比べて少なくする、発電兼ヒートポンプ複合システム。
【請求項２】
前記総量調節手段は、前記循環経路と接続されて前記ランキンサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路に設けられた貯液部を含み、
前記ヒートポンプサイクル運転の状態において、前記バイパス経路を冷媒が通流することにより前記貯液部に冷媒の一部が貯溜される、請求項１に記載の発電兼ヒートポンプ複合システム。
【請求項３】
前記総量調節手段は、前記循環経路と接続されて前記ランキンサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路で構成され、
前記ヒートポンプサイクル運転の状態において、前記バイパス経路を冷媒が通流して冷媒の一部が貯溜される、請求項１に記載の発電兼ヒートポンプ複合システム。
【請求項４】
前記総量調節手段は、前記ヒートポンプサイクル運転から前記ランキンサイクル運転に切り替える時に、貯溜されていた冷媒を前記循環経路に放流することにより前記循環経路を流れる冷媒の総量を多くする、請求項２または３に記載の発電兼ヒートポンプ複合システム。
【請求項５】
前記総量調節手段は、前記循環経路と接続されて前記ヒートポンプサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路に設けられた貯液部を含み、
前記ランキンサイクル運転の状態において前記バイパス経路を冷媒が通流する、請求項１に記載の発電兼ヒートポンプ複合システム。
【請求項６】
前記総量調節手段は、前記循環経路と接続されて前記ヒートポンプサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路で構成され、
前記ランキンサイクル運転の状態において前記バイパス経路を冷媒が通流する、請求項１に記載の発電兼ヒートポンプ複合システム。
【請求項７】
前記総量調節手段は、前記ランキンサイクル運転から前記ヒートポンプサイクル運転に切り替える時に、前記バイパス経路に冷媒を流入させて冷媒の一部を貯溜することにより前記循環経路を流れる冷媒の総量を少なくする、請求項５または６に記載の発電兼ヒートポンプ複合システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電兼ヒートポンプ複合システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電兼ヒートポンプ複合システムの構成を開示した先行文献として、特開平４−２５４１６８号公報(特許文献１)がある。特開平４−２５４１６８号公報(特許文献１)に記載された発電兼ヒートポンプ複合システムにおいては、誘導発電機が結合されたスクリュー型圧縮機、同圧縮機の第１の出入口から第２の出入口間に順次接続される低温熱源と熱交換する第１の熱交換器、第１切換弁を持つポンプ、および高温熱源と熱交換する第２の熱交換器が設けられる。
【０００３】
さらに、第１切換弁を持つポンプと並列に第２切換弁を持つ膨張弁が接続される。第１および第２切換弁を切り替えることにより、発電サイクルとヒートポンプサイクルとを切り替えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２５４１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１３は、ランキンサイクルおよびヒートポンプサイクルにおける状態図である。図１３においては、縦軸に圧力、横軸に比エンタルピを示している。また、ランキンサイクルを実線、ヒートポンプサイクルを点線で示している。
【０００６】
図１３に示すように、ヒートポンプサイクルにおいては、凝縮器により液化されて図中のＡ点の状態にある冷媒は、膨張弁で減圧されて図中のＢ点の状態となり、蒸発器入口では気液混合の状態となっている。
【０００７】
ランキンサイクルにおいては、凝縮器により液化されて図中のＣ点の状態にある冷媒は、ポンプで加圧されて図中のＤ点の状態となり、蒸発器入口では過冷却された液相の状態となっている。
【０００８】
このように、ランキンサイクルはヒートポンプサイクルと比較して過冷却度が大きいサイクルである。そのため、ランキンサイクル運転の状態においては、凝縮器で十分な量の相変態を起させるために多くの冷媒が必要となる。
【０００９】
一方、ランキンサイクル運転の状態に合わせて冷媒の総量を多くした場合、ヒートポンプサイクル運転の状態において圧縮機への入力が過大となる。
【００１０】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において適正量の冷媒を循環させることにより運転効率の向上を図れる発電兼ヒートポンプ複合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】
本発明に基づく発電兼ヒートポンプ複合システムは、ランキンサイクル運転とヒートポンプサイクル運転とを選択的に切り替え可能な発電兼ヒートポンプ複合システムである。発電兼ヒートポンプ複合システムは、ランキンサイクル運転の状態においては、循環経路を流れる冷媒の仕事を回収して発電し、ヒートポンプサイクル運転の状態においては、外部から供給された電力を用いて冷媒を圧縮する、圧縮機兼膨張機と、循環経路を流れる冷媒の総量を調節する総量調節手段とを備える。ランキンサイクル運転からヒートポンプサイクル運転に切り替えた状態において、総量調節手段は、循環経路を流れる冷媒の総量をランキンサイクル運転の状態に比べて少なくする。
【００１２】
本発明の一形態においては、総量調節手段は、循環経路と接続されてランキンサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路に設けられた貯液部を含む。ヒートポンプサイクル運転の状態において、バイパス経路を冷媒が通流することにより貯液部に冷媒の一部が貯溜される。
【００１３】
本発明の一形態においては、総量調節手段は、循環経路と接続されてランキンサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路で構成される。ヒートポンプサイクル運転の状態において、バイパス経路を冷媒が通流して冷媒の一部が貯溜される。
【００１４】
本発明の一形態においては、総量調節手段は、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時に、貯溜されていた冷媒を循環経路に放流することにより循環経路を流れる冷媒の総量を多くする。
【００１５】
本発明の一形態においては、総量調節手段は、循環経路と接続されてヒートポンプサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路に設けられた貯液部を含む。ランキンサイクル運転の状態においてバイパス経路を冷媒が通流する。
【００１６】
本発明の一形態においては、総量調節手段は、循環経路と接続されてヒートポンプサイクル運転の状態においては冷媒が通流しないバイパス経路で構成される。ランキンサイクル運転の状態においてバイパス経路を冷媒が通流する。
【００１７】
本発明の一形態においては、総量調節手段は、ランキンサイクル運転からヒートポンプサイクル運転に切り替える時に、バイパス経路に冷媒を流入させて冷媒の一部を貯溜することにより循環経路を流れる冷媒の総量を少なくする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において適正量の冷媒を循環させることにより運転効率の向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態１に係る発電兼ヒートポンプ複合システムの構成を示す系統図である。
【図２】同実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
【図３】同実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時の冷媒の流れを示す図である。
【図４】同実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る発電兼ヒートポンプ複合システムの構成を示す系統図である。
【図６】同実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
【図７】同実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時の冷媒の流れを示す図である。
【図８】同実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
【図９】本発明の実施形態３に係る発電兼ヒートポンプ複合システムの構成を示す系統図である。
【図１０】同実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
【図１１】同実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転からヒートポンプサイクル運転に切り替える時の冷媒の流れを示す図である。
【図１２】同実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
【図１３】ランキンサイクルおよびヒートポンプサイクルにおける状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態１に係る発電兼ヒートポンプ複合システムについて説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００２１】
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る発電兼ヒートポンプ複合システムの構成を示す系統図である。図２は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。図３は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時の冷媒の流れを示す図である。図４は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
【００２２】
図１に示すように、本発明の実施形態１に係る発電兼ヒートポンプ複合システム１においては、ポンプ１４と、第１開閉弁３１と、高温熱源６０の一部と連結された第１熱交換器２１と、圧縮機兼膨張機１１と、低温熱源７０の一部と連結された第２熱交換器２２とが配管で接続されて循環経路を構成している。
【００２３】
圧縮機兼膨張機１１には、発電機兼発動機１２が連結されている。第２熱交換器２２には、中間部に第１温度検知手段５１、ポンプ１４側の端部近傍に第２温度検知手段５２が設けられている。
【００２４】
発電兼ヒートポンプ複合システム１においては、第１開閉弁３１と第１熱交換器２１との間と、ポンプ１４と第２熱交換器２２との間とを繋ぐバイパス経路４１が設けられている。バイパス経路４１においては、第２開閉弁３２と貯液部である貯液タンク１５と膨張弁１３と第３開閉弁３３とが配管で接続されている。本実施形態においては、貯液タンク１５が循環経路を流れる冷媒の総量を調節する総量調節手段として機能する。
【００２５】
第１熱交換器２１において、発電兼ヒートポンプ複合システム１内を循環する冷媒(作動媒体)と高温熱源６０との間で熱交換が行なわれる。第２熱交換器２２において、発電兼ヒートポンプ複合システム１内を循環する冷媒と低温熱源７０との間で熱交換が行なわれる。
【００２６】
冷媒としては、たとえば、Ｒ１３４ａなどのいわゆるフロンガスを用いることができる。ポンプ１４は、冷媒に圧力をかけて流動させる機能を有する。膨張弁１３は、冷媒を減圧させる機能を有する。
【００２７】
圧縮機兼膨張機１１は、冷媒を選択的に圧縮または膨張させる。後述するように、ランキンサイクル運転の状態においては、圧縮機兼膨張機１１は膨張機として駆動され、冷媒の圧力により発電機兼発動機１２を回転させ、発電機兼発動機１２は発電機として機能する。ヒートポンプサイクル運転の状態においては、外部から電力が供給されて発電機兼発動機１２が発動機として駆動され、圧縮機兼膨張機１１は圧縮機として機能する。
【００２８】
本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システム１は、ランキンサイクル運転の状態とヒートポンプサイクル運転の状態とを選択的に切り替えることができる。
【００２９】
ランキンサイクル運転の状態とは、第１熱交換器２１において高温熱源６０から冷媒に発電機兼発動機１２による発電に必要な熱量以上の熱量を吸熱させることができる場合に、冷媒に吸熱させた熱を電力に変換するための運転状態である。たとえば、夜間電力を利用して高温蓄熱タンクに蓄えていた温水を高温熱源６０として、昼間にランキンサイクル運転を行なって発電する。
【００３０】
ヒートポンプサイクル運転の状態とは、第２熱交換器２２において低温熱源７０から冷媒に吸熱させた熱量を第１熱交換器２１において高温熱源６０に蓄熱するための運転状態である。たとえば、夜間電力を利用してヒートポンプサイクル運転を行なって、低温熱源７０として低温蓄熱タンクに蓄えていた水を冷却し、高温熱源６０として高温蓄熱タンクに蓄えていた温水を加熱する。
【００３１】
以下、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システム１において、ランキンサイクル運転の状態およびヒートポンプサイクル運転の状態における、冷媒の流動経路および冷媒の流動中の状態について説明する。
【００３２】
図２に示すように、ヒートポンプサイクル運転の状態においては、第１開閉弁３１は閉じ、第２開閉弁３２は開き、第３開閉弁３３は開いている。外部から供給された電力により発電機兼発動機１２を発動機として駆動させることにより、図中の矢印で示す方向に冷媒が循環する。
【００３３】
まず、冷媒は圧縮機兼膨張機１１により圧縮されて高圧になる。圧縮された高圧気相状態の冷媒は、第１熱交換器２１で高温熱源６０に熱を与えて凝縮して液化する。液化した液状冷媒は、バイパス経路４１内を通流して、貯液タンク１５にその一部が貯溜される。
【００３４】
貯液タンク１５を通過した液状冷媒は、膨張弁１３で減圧された後、第２熱交換器２２で低温熱源７０から熱を奪い蒸発して気化する。気化した冷媒は、圧縮機兼膨張機１１により再び圧縮されて高圧になる。このように冷媒が循環することにより、高温熱源６０は加熱され、低温熱源７０は冷却される。
【００３５】
図３に示すように、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時は、第２開閉弁３２を閉じる。その後、膨張弁１３の開度を大きくする。このようにすることにより、貯液タンク１５内の圧力が低下する。その結果、貯液タンク１５内の冷媒が蒸発することにより液状冷媒１０が貯液タンク１５内から押し出されて第２熱交換部２２内に流入する。
【００３６】
その状態で所定時間経過後、第３開閉弁３３を閉じる。その後、発電機兼発動機１２の駆動を停止する。このようにすることにより、ヒートポンプサイクル運転の状態において貯液タンク１５内に貯溜されていた液状冷媒１０を、循環経路に放流することができる。その結果、循環経路を流れる冷媒の総量を多くすることができる。
【００３７】
図４に示すように、ランキンサイクル運転の状態においては、第１開閉弁３１は開き、第２開閉弁３２は閉じ、第３開閉弁３３は閉じている。冷媒はポンプ１４で加圧されて送液されることにより図中の矢印で示す方向に循環する。
【００３８】
まず、ポンプ１４により加圧された液状冷媒は、第１熱交換器２１で高温熱源６０から熱を奪い蒸発して気化する。高圧気相状態の冷媒が圧縮機兼膨張機１１で膨張する際に、発電機兼発動機１２を発電機として駆動させることにより発電が行なわれる。
【００３９】
圧縮機兼膨張機１１を通過した低圧気相状態の冷媒は、第２熱交換器２２で低温熱源７０に熱を与えて凝縮して液化する。低圧液相状態の液状冷媒は、再びポンプ１４により加圧されて送液される。このように、冷媒が循環することにより、高温熱源６０は冷却され、低温熱源７０は加熱され、発電が行なわれる。
【００４０】
なお、バイパス経路４１においては、第２開閉弁３２と第３開閉弁３３とを閉じられているため、バイパス経路４１内に閉じ込められた冷媒は流動しない。言い換えると、ランキンサイクル運転の状態においては貯液タンク１５には冷媒が通流しない。
【００４１】
貯液タンク１５を含むバイパス経路４１を設けることにより、循環経路を流れる冷媒の総量をランキンサイクル運転の状態に比べてヒートポンプサイクル運転の状態において少なくすることができる。
【００４２】
本実施形態においては、第１温度検知手段５１により冷媒の凝縮温度を計測し、第２温度検知手段５２により液状冷媒が第２熱交換器２２から流出する際の流出温度を計測する。計測した凝縮温度と流出温度との差を冷媒の過冷却度とする。
【００４３】
ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、圧縮機兼膨張機１１の前後における冷媒の圧力差が小さくなり、発電効率が低下する。
【００４４】
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、第２開閉弁３２を開く。第２開閉弁３２を開くと、循環経路からバイパス経路４１内に冷媒が流入する。貯液タンク１５内に流入した冷媒は、凝縮して液化する。その結果、液状冷媒の一部を貯液タンク１５内に貯溜して循環経路を流れる冷媒の総量を減少させることができる。
【００４５】
このようにして、第１熱交換器２１において気化して発電機兼発動機１２で膨張する冷媒量を増やすことができるため、圧縮機兼膨張機１１の前後における冷媒の圧力差が大きくなり、発電効率が向上する。
【００４６】
一方、ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第２熱交換器２２において液化する冷媒量が減少する。その結果、液状冷媒の一部が気化して気液混合の状態でポンプ１４に冷媒が流入する。この場合、ポンプ１４の冷媒を送液する能力が低下する。
【００４７】
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第３開閉弁３３を開く。第３開閉弁３３を開くと、貯液タンク１５内の液状冷媒１０が蒸発することにより液状冷媒１０が貯液タンク１５内から押し出されて第２熱交換部２２内に流入する。その結果、貯液タンク１５内に貯溜されていた液状冷媒１０の一部を循環経路に放流することにより循環経路を流れる冷媒の総量を多くすることができる。
【００４８】
このようにして、第２熱交換器２２において液化する冷媒量を増やすことができるため、ポンプ１４に気液混合の状態で冷媒が流入することを抑制できる。
【００４９】
上記の構成により、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において適正量の冷媒を循環させることができ、発電効率および運転効率の向上を図れる。
【００５０】
また、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において冷媒が通流しない独立した経路を設けて冷媒の総量調節を行なう場合と比較して、本実施形態の発電兼ヒートポンプ複合システム１においては簡易な構成とすることができるため、装置コストを低減することができる。
【００５１】
なお、本実施形態においては、貯液タンク１５を総量調節手段として設けたが、バイパス経路４１を構成する配管の管径を大きくすることにより十分な量の冷媒をバイパス経路４１内に貯溜できる場合には、貯液タンク１５が設けられていないバイパス経路４１を総量調節手段として用いてもよい。
【００５２】
以下、本発明の実施形態２に係る発電兼ヒートポンプ複合システム２について説明する。
【００５３】
(実施形態２)
図５は、本発明の実施形態２に係る発電兼ヒートポンプ複合システムの構成を示す系統図である。図６は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。図７は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時の冷媒の流れを示す図である。図８は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
【００５４】
図５に示すように、本発明の実施形態２に係る発電兼ヒートポンプ複合システム２においては、ポンプ１４と、第１開閉弁３１と、エンジンの排熱などを熱源とする高温熱源６０の一部と連結された第１熱交換器２１と、圧縮機兼膨張機１１と、三方切換弁３６と、第２熱交換器２２とが配管で接続されて循環経路を構成している。
【００５５】
圧縮機兼膨張機１１には、発電機兼発動機１２が連結されている。第２熱交換器２２には、中間部に第１温度検知手段５１、ポンプ１４側の端部近傍に第２温度検知手段５２が設けられている。第２熱交換器２２の近傍に、第１送風機２４が設けられている。
【００５６】
第２熱交換器２２とポンプ１４との間と、圧縮機兼膨張機１１と三方切換弁３６との間とを繋ぐバイパス経路４１が設けられている。バイパス経路４１においては、第２開閉弁３２と、膨張弁１３と、第３熱交換器２３と、第３開閉弁３３とが配管で接続されている。第３熱交換器２３の近傍に、第２送風機２５が設けられている。
【００５７】
また、発電兼ヒートポンプ複合システム２においては、第１開閉弁３１と第１熱交換器２１との間と三方切換弁３６とを繋ぐバイパス経路４３が設けられている。
【００５８】
第１熱交換器２１において、発電兼ヒートポンプ複合システム２内を循環する冷媒(作動媒体)と高温熱源６０との間で熱交換が行なわれる。第２熱交換器２２において、発電兼ヒートポンプ複合システム２内を循環する冷媒と室外空気との間で熱交換が行なわれる。第３熱交換器２３において、発電兼ヒートポンプ複合システム２内を循環する冷媒と室内空気との間で熱交換が行なわれる。
【００５９】
以下、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システム２において、ランキンサイクル運転の状態およびヒートポンプサイクル運転の状態における、冷媒の流動経路および冷媒の流動中の状態について説明する。
【００６０】
図６に示すように、ヒートポンプサイクル運転の状態においては、第１開閉弁３１は閉じ、第２開閉弁３２は開き、第３開閉弁３３は開いている。三方切換弁３６は、第１熱交換器２１から第２熱交換器２２に冷媒が流れるように経路を構成している。外部から供給された電力により発電機兼発動機１２を発動機として駆動させることにより、図中の矢印で示す方向に冷媒が循環する。
【００６１】
まず、冷媒は圧縮機兼膨張機１１により圧縮されて高圧になる。圧縮された高圧気相状態の冷媒は、第１熱交換器２１で熱交換せずに通過したのち、第２熱交換器２２で室外空気に熱を与えて凝縮して液化する。
【００６２】
液化した液状冷媒は、膨張弁１３で減圧されて気液混合の状態で第３熱交換器２３内に流入する。第３熱交換器２３内に流入した冷媒は、室内空気から熱を奪い蒸発して気化する。気化した冷媒は、圧縮機兼膨張機１１により再び圧縮されて高圧になる。このように冷媒が循環することにより、室内空気を冷却することができる。
【００６３】
図７に示すように、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時は、第２開閉弁３２を閉じる。その後、膨張弁１３の開度を大きくする。このようにすることにより、第３熱交換器２３内の圧力が低下する。その結果、第３熱交換器２３内の冷媒が蒸発して圧縮機兼膨張機１１内に流入する。
【００６４】
その状態で所定時間経過後、第３開閉弁３３を閉じる。その後、発電機兼発動機１２の駆動を停止する。このようにすることにより、ヒートポンプサイクル運転の状態において第３熱交換器２３内に貯溜されていた冷媒を、循環経路に放流することができる。その結果、循環経路を流れる冷媒の総量を多くすることができる。本実施形態においては、第３熱交換器２３が貯液部となる。
【００６５】
図８に示すように、ランキンサイクル運転の状態においては、第１開閉弁３１は開き、第２開閉弁３２は閉じ、第３開閉弁３３は閉じている。三方切換弁３６は圧縮機兼膨張機１１から第２熱交換器２２に冷媒が流れるように経路を構成している。冷媒はポンプ１４で加圧されて送液されることにより図中の矢印で示す方向に循環する。
【００６６】
まず、ポンプ１４により加圧された液状冷媒は、第１熱交換器２１で高温熱源６０から熱を奪い蒸発して気化する。高圧気相状態の冷媒が圧縮機兼膨張機１１で膨張する際に、発電機兼発動機１２を発電機として駆動させることにより発電が行なわれる。
【００６７】
圧縮機兼膨張機１１を通過した低圧気相状態の冷媒は、第２熱交換器２２で室外空気に熱を与えて凝縮して液化する。低圧液相状態の液状冷媒は、再びポンプ１４により加圧されて送液される。このように、冷媒が循環することにより、高温熱源６０の熱を利用した発電が行なわれる。
【００６８】
なお、バイパス経路４１においては、第２開閉弁３２と第３開閉弁３３とを閉じられているため、バイパス経路４１内に閉じ込められた冷媒は流動しない。言い換えると、ランキンサイクル運転の状態においてはバイパス経路４１には冷媒が通流しない。
【００６９】
また、バイパス経路４３においては、三方切換弁３６により一方端が閉鎖されているため、バイパス経路４３内の冷媒は流動しない。言い換えると、ランキンサイクル運転の状態においてはバイパス経路４３には冷媒が通流しない。
【００７０】
第３熱交換器２３を含むバイパス経路４１を設けることにより、循環経路を流れる冷媒の総量をランキンサイクル運転の状態に比べてヒートポンプサイクル運転の状態において少なくすることができる。
【００７１】
本実施形態においては、第１温度検知手段５１により冷媒の凝縮温度を計測し、第２温度検知手段５２により液状冷媒が第２熱交換器２２から流出する際の流出温度を計測する。計測した凝縮温度と流出温度との差を冷媒の過冷却度とする。
【００７２】
ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、圧縮機兼膨張機１１の前後における冷媒の圧力差が小さくなり、発電効率が低下する。
【００７３】
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、第３開閉弁３３を開く。第３開閉弁３３を開くと、循環経路からバイパス経路４１内に冷媒が流入する。第３熱交換器２３内に流入した冷媒は、凝縮して液化する。その結果、液状冷媒の一部を第３熱交換器２３内に貯溜して循環経路を流れる冷媒の総量を減少させることができる。
【００７４】
このようにして、第１熱交換器２１において気化して発電機兼発動機１２で膨張する冷媒量を増やすことができるため、圧縮機兼膨張機１１の前後における冷媒の圧力差が大きくなり、発電効率が向上する。
【００７５】
一方、ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第２熱交換器２２において液化する冷媒量が減少する。その結果、液状冷媒の一部が気化して気液混合の状態でポンプ１４に冷媒が流入する。この場合、ポンプ１４の冷媒を送液する能力が低下する。
【００７６】
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第２開閉弁３２と第３開閉弁３３とを開く。第３開閉弁３３を開くと、第３熱交換器２３内に気相状態の冷媒が流入する。第２開閉弁３２が開いているため、第３熱交換器２３内に流入した気相状態の冷媒により第３熱交換器２３内から押し出された液状冷媒１０はポンプ１４へ向けて流出する。
【００７７】
その結果、第３熱交換器２３内に貯溜されていた液状冷媒１０の一部を循環経路に放流することにより循環経路を流れる冷媒の総量を多くすることができる。このようにして、第２熱交換器２２において液化する冷媒量を増やすことができるため、ポンプ１４に気液混合の状態で冷媒が流入することを抑制できる。
【００７８】
上記の構成により、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において適正量の冷媒を循環させることができ、発電効率および運転効率の向上を図れる。
【００７９】
以下、本発明の実施形態３に係る発電兼ヒートポンプ複合システム３について説明する。
【００８０】
(実施形態３)
図９は、本発明の実施形態３に係る発電兼ヒートポンプ複合システムの構成を示す系統図である。図１０は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。図１１は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ランキンサイクル運転からヒートポンプサイクル運転に切り替える時の冷媒の流れを示す図である。図１２は、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システムにおいて、ヒートポンプサイクル運転の状態での冷媒の流れを示す図である。
【００８１】
図９に示すように、本発明の実施形態３に係る発電兼ヒートポンプ複合システム３においては、圧縮機兼膨張機１１と、第２熱交換器２２と、第４開閉弁３４と、膨張弁１３と、第３熱交換器２３と、第３開閉弁３３とが配管で接続されて循環経路４２を構成している。
【００８２】
圧縮機兼膨張機１１には、発電機兼発動機１２が連結されている。第２熱交換器２２には、中間部に第１温度検知手段５１、ポンプ１４側の端部近傍に第２温度検知手段５２が設けられている。第２熱交換器２２の近傍に、第１送風機２４が設けられている。第３熱交換器２３の中間部に第３温度検知手段５３が設けられている。第３熱交換器２３の近傍に、第２送風機２５が設けられている。第２送風機２５の第３熱交換器２３側とは反対側に第４温度検知手段５４が設けられている。
【００８３】
第２熱交換器２２と第４開閉弁３４との間と、圧縮機兼膨張機１１と第３開閉弁３３との間とを繋ぐバイパス経路４１が設けられている。バイパス経路４１においては、第２開閉弁３２と、ポンプ１４と、エンジンの排熱などを熱源とする高温熱源６０の一部と連結された第１熱交換器２１と、第１開閉弁３１とが配管で接続されている。
【００８４】
また、発電兼ヒートポンプ複合システム３においては、ポンプ１４と第１熱交換器２１との間と、第２開閉弁３２と第２熱交換器２２との間とを繋ぐバイパス経路４３が設けられている。バイパス経路４３には、第５開閉弁３５が設けられている。
【００８５】
第１熱交換器２１において、発電兼ヒートポンプ複合システム３内を循環する冷媒(作動媒体)と高温熱源６０との間で熱交換が行なわれる。第２熱交換器２２において、発電兼ヒートポンプ複合システム３内を循環する冷媒と室内空気との間で熱交換が行なわれる。第３熱交換器２３において、発電兼ヒートポンプ複合システム３内を循環する冷媒と室外空気との間で熱交換が行なわれる。本実施形態においては、第１熱交換器２１が貯液部である。
【００８６】
以下、本実施形態に係る発電兼ヒートポンプ複合システム３において、ランキンサイクル運転の状態およびヒートポンプサイクル運転の状態における、冷媒の流動経路および冷媒の流動中の状態について説明する。
【００８７】
図１０に示すように、ランキンサイクル運転の状態においては、第１開閉弁３１は開き、第２開閉弁３２は開き、第３開閉弁３３は閉じ、第４開閉弁３４は閉じ、第５開閉弁３５は閉じている。冷媒はポンプ１４で加圧されて送液されることにより図中の矢印で示す方向に循環する。すなわち、ランキンサイクル運転の状態においてバイパス経路４１を冷媒が通流する。
【００８８】
まず、ポンプ１４により加圧された液状冷媒は、第１熱交換器２１で高温熱源６０から熱を奪い蒸発して気化する。高圧気相状態の冷媒が圧縮機兼膨張機１１で膨張する際に、発電機兼発動機１２を発電機として駆動させることにより発電が行なわれる。
【００８９】
圧縮機兼膨張機１１を通過した低圧気相状態の冷媒は、第２熱交換器２２で室内空気に熱を与えて凝縮して液化する。低圧液相状態の液状冷媒は、再びポンプ１４により加圧されて送液される。このように、冷媒が循環することにより、高温熱源６０の熱を利用して、室内を暖房しつつ発電することができる。
【００９０】
本実施形態においては、第１温度検知手段５１により冷媒の凝縮温度を計測し、第２温度検知手段５２により液状冷媒が第２熱交換器２２から流出する際の流出温度を計測する。計測した凝縮温度と流出温度との差を冷媒の過冷却度とする。
【００９１】
ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、圧縮機兼膨張機１１の前後における冷媒の圧力差が小さくなり、発電効率が低下する。
【００９２】
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より大きい場合、第３開閉弁３３を開く。第３開閉弁３３を開くと、バイパス経路４１から循環経路４２内に冷媒が流入する。第３熱交換器２３内に流入した冷媒は、凝縮して液化する。その結果、液状冷媒の一部を第３熱交換器２３内に貯溜してバイパス経路４１を流れる冷媒の総量を減少させることができる。
【００９３】
このようにして、第１熱交換器２１において気化して発電機兼発動機１２で膨張する冷媒量を増やすことができるため、圧縮機兼膨張機１１の前後における冷媒の圧力差が大きくなり、発電効率が向上する。
【００９４】
一方、ランキンサイクル運転の状態において、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第２熱交換器２２において液化する冷媒量が減少する。その結果、気液混合の状態でポンプ１４に冷媒が流入する。この場合、ポンプ１４の冷媒を送液する能力が低下する。
【００９５】
そのため、冷媒の過冷却度が予め設定した設定値より小さい場合、第４開閉弁３４を開く。第４開閉弁３４を開くと、第３熱交換器２３内の液状冷媒１０が蒸発することにより液状冷媒１０が第３熱交換器２３内から押し出されて第２熱交換部２２内に流入する。その結果、第３熱交換器２３内に貯溜されていた液状冷媒１０の一部をバイパス経路４１に放流することによりバイパス経路４１を流れる冷媒の総量を多くすることができる。
【００９６】
このようにして、第２熱交換器２２において液化する冷媒量を増やすことができるため、ポンプ１４に気液混合の状態で冷媒が流入することを抑制できる。
【００９７】
図１１に示すように、ランキンサイクル運転からヒートポンプサイクル運転に切り替える時は、高温熱源６０からの熱の供給を停止し、ポンプ１４も停止し、第２開閉弁３２を閉じる。外部から供給された電力により発電機兼発動機１２を発動機として駆動させることにより、図中の矢印で示す方向に冷媒が流動する。
【００９８】
冷媒は圧縮機兼膨張機１１により圧縮されて高圧になる。圧縮された高圧気相状態の冷媒は、第１熱交換器２１内で凝縮して液化する。液化した液状冷媒は、バイパス経路４１内において第１熱交換器２１内に貯溜される。
【００９９】
その状態で所定時間経過後、第１開閉弁３１を閉じる。このようにすることにより、バイパス経路４１に冷媒を流入させて第１熱交換器２１内に冷媒の一部を貯溜することにより、ヒートポンプサイクル運転の状態において循環経路４２を流れる冷媒の総量を少なくすることができる。
【０１００】
図１２に示すように、ヒートポンプサイクル運転の状態においては、第１開閉弁３１は閉じ、第２開閉弁３２は閉じ、第３開閉弁３３は開き、第４開閉弁３４は開き、第５開閉弁３５は閉じている。外部から供給された電力により発電機兼発動機１２を発動機として駆動させることにより、図中の矢印で示す方向に冷媒が循環する。
【０１０１】
まず、冷媒は圧縮機兼膨張機１１により圧縮されて高圧になる。圧縮された高圧気相状態の冷媒は、第３熱交換器２３で室外空気に熱を与えて凝縮して液化する。
【０１０２】
液化した液状冷媒は、膨張弁１３で減圧されて気液混合の状態で第２熱交換器２２内に流入する。第２熱交換器２２内に流入した冷媒は、室内空気から熱を奪い蒸発して気化する。気化した冷媒は、圧縮機兼膨張機１１により再び圧縮されて高圧になる。このように冷媒が循環することにより、室内空気を冷却することができる。
【０１０３】
なお、バイパス経路４１においては、第１開閉弁３１と第２開閉弁３２と第５開閉弁３５とを閉じられているため、バイパス経路４１内に閉じ込められた冷媒は流動しない。言い換えると、ヒートポンプサイクル運転の状態においてはバイパス経路４１には冷媒が通流しない。
【０１０４】
本実施形態においては、第３温度検知手段５３により第３熱交換器２３における冷媒の凝縮温度を計測し、第４温度検知手段５４により外気温度を計測する。
【０１０５】
ヒートポンプサイクル運転の状態において、凝縮温度と外気温度との差が外気温度から予め設定した設定値より小さい場合は凝縮圧力不足で、第３熱交換器２３内で冷媒が完全に液化しない。その結果、第２熱交換器２２において気化する液状冷媒が少なくなるため室内空気を十分に冷却することができなくなる。
【０１０６】
そのため、凝縮温度と外気温度との予め設定した設定値より小さい場合、第５開閉弁３５を開く。第５開閉弁３５を開くと、第１熱交換器２１内に貯溜されていた液状冷媒１０が蒸発することにより液状冷媒１０が第１熱交換器２１内から押し出されて第２熱交換部２２内に流入する。その結果、第１熱交換器２１内に貯溜されていた液状冷媒１０の一部を循環経路４２に放流することにより循環経路４２を流れる冷媒の総量を多くすることができ、凝縮圧力を高くすることができる。
【０１０７】
このようにして、第３熱交換器２３において液化する冷媒量を増やすことができるため、第２熱交換器２２で室内空気を十分冷却することができる。
【０１０８】
一方、ヒートポンプサイクル運転の状態において、凝縮温度と外気温度との差が予め設定した設定値より大きい場合、第３熱交換器２３内の凝縮圧力が高すぎて、圧縮機兼膨張機１１で消費する電力が過大となる。
【０１０９】
そのため、凝縮温度と外気温度との差が予め設定した設定値より大きい場合、第１開閉弁３１を開く。第１開閉弁３１を開くと、循環経路４２からバイパス経路４１内に冷媒が流入する。第１熱交換器２１内に流入した冷媒は、凝縮して液化する。その結果、液状冷媒の一部を第１熱交換器２１内に貯溜して循環経路４２を流れる冷媒の総量を減少させることができ、凝縮圧力を低くすることができる。
【０１１０】
このようにして、第２熱交換器２２において気化する冷媒量を減らすことができるため、圧縮機兼膨張機１１で過大な電力量が消費されることを抑制できる。なお、ヒートポンプサイクル運転からランキンサイクル運転に切り替える時に、第１熱交換器２１に貯溜されていた冷媒の一部は循環経路４２に放流される。
【０１１１】
上記の構成により、ランキンサイクル運転およびヒートポンプサイクル運転の両方において適正量の冷媒を循環させることができ、発電効率および運転効率の向上を図れる。
【０１１２】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１３】
１，２，３  発電兼ヒートポンプ複合システム、１０  液状冷媒、１１  圧縮機兼膨張機、１２  発電機兼発動機、１３  膨張弁、１４  ポンプ、１５  貯液タンク、２１  第１熱交換器、２２  第２熱交換器、２３  第３熱交換器、２４  第１送風機、２５  第２送風機、３１  第１開閉弁、３２  第２開閉弁、３３  第３開閉弁、３４  第４開閉弁、３５  第５開閉弁、３６  三方切換弁、４１，４３  バイパス経路、４２  循環経路、５１  第１温度検知手段、５２  第２温度検知手段、５３  第３温度検知手段、５４  第４温度検知手段、６０  高温熱源、７０  低温熱源。
【図１】
2012247081.tif 000003
【図２】
2012247081.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012247081.tif 000009
【図８】
2012247081.tif 000010
【図９】
2012247081.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2012247081.tif 000013
【図１２】
2012247081.tif 000014
【図１３】
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