(57)【要約】【課題】熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換できる熱システムを提供する。【解決手段】熱システム１は、外部から取り込んだ熱によって第１媒体を暖めるための第１熱交換器２１、圧縮翼２３によって第１媒体を圧縮する圧縮機２２、圧縮された第１媒体によって第２媒体を暖めるための第２熱交換器２４、及び、第１媒体を減圧して膨張させる減圧弁２５、によって構成されるヒートポンプ回路２と、第２熱交換器２４によって暖められて沸騰した第２媒体によって回転される発電機３２、第２媒体を冷却して液体にする凝縮器３３、及び、第２媒体を第２熱交換器２４に送るためのポンプ３４、によって構成されるランキンサイクル３と、ヒートポンプ回路２の圧縮機の圧縮翼２３とランキンサイクル３の発電機３２のタービン翼３１とを接続する接続機構４１と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から第１媒体に熱を取り込むための第１熱交換器と、圧縮翼によって前記第１媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記第１媒体によって第２媒体を暖めるための第２熱交換器と、前記第１媒体を減圧して膨張させる減圧弁と、によって構成されるヒートポンプ回路と、
前記第２熱交換器によって暖められて沸騰した前記第２媒体によって回転される発電機と、前記第２媒体を冷却して液体にする凝縮器と、前記第２媒体を前記第２熱交換器に送るためのポンプと、によって構成されるランキンサイクルと、
前記ヒートポンプ回路の前記圧縮機の圧縮翼と前記ランキンサイクルの前記発電機のタービン翼とを接続する接続機構と、を備える、熱システム。
【請求項２】
前記ヒートポンプ回路の前記圧縮機の圧縮翼と前記ランキンサイクルの前記発電機のタービン翼との間に配置される中央クラッチをさらに備える、請求項１に記載された熱システム。
【請求項３】
前記ヒートポンプ回路の前記圧縮機の圧縮翼と前記モータの回転軸との間に配置される圧縮機側クラッチと、前記ランキンサイクルの前記発電機のタービン翼と前記発電機の回転軸との間に配置される発電機側クラッチと、をさらに備える、請求項２に記載された熱システム。
【請求項４】
前記ランキンサイクルの前記凝縮器は、前記ヒートポンプ回路の前記減圧弁と前記第２熱交換器との間に接続される、請求項３に記載された熱システム。
【請求項５】
前記減圧弁と前記凝縮器との間に、冷房用の第３熱交換器をさらに備える、請求項４に記載された熱システム。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載された熱システムの運転方法であって、
前記圧縮機側クラッチを繋ぐステップと、
前記モータを回転させるステップと、
前記タービン翼と前記圧縮翼の回転数の差が所定の閾値以内となった状態で、前記中央クラッチを繋ぐステップと、
前記モータを減弱させるステップと、を備える、熱システムの運転方法。
【請求項７】
前記発電機側クラッチを繋ぐステップと、
前記圧縮機側クラッチを切るステップと、をさらに備える、請求項６に記載された熱システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ回路とランキンサイクルとを組み合わせた熱システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ヒートポンプユニットを用いて家庭の浴槽に使う湯を沸かすことが行われている。一方、地熱や温泉水の熱を利用したバイナリー発電も行われている。そして、これらを組み合わせたシステムとして、例えば、特許文献１には、バイナリー発電機と、第１の温泉水供給装置と、第２の温泉水供給装置と、回収装置と、ヒートポンプと、第３の温泉水供給装置とを備え、バイナリー発電機が、第１の温泉水供給装置から供給された温泉水の熱を用いてバイナリー発電をし、ヒートポンプが、第３の温泉水供給装置から供給された温泉水の熱を用いて冷房又は暖房をする温泉熱利用システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の構成は、温泉水の熱を無駄にしないで有効利用することを目的として、ヒートポンプとバイナリー発電機とが直列に接続されているだけであった。そのため、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換できるものではなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換できる熱システムと、この熱システムの運転方法と、を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明の熱システムは、外部から取り込んだ熱によって第１媒体を暖めるための第１熱交換器と、圧縮翼によって前記第１媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記第１媒体によって第２媒体を暖めるための第２熱交換器と、前記第１媒体を減圧して膨張させる減圧弁と、によって構成されるヒートポンプ回路と、前記第２熱交換器によって暖められて沸騰した前記第２媒体によって回転される発電機と、前記第２媒体を冷却して液体にする凝縮器と、前記第２媒体を前記第２熱交換器に送るためのポンプと、によって構成されるランキンサイクルと、前記ヒートポンプ回路の前記圧縮機の圧縮翼と前記ランキンサイクルの前記発電機のタービン翼とを接続する接続機構と、を備えている。
【発明の効果】
【０００７】
このように、本発明の熱システムは、第１熱交換器と、圧縮機と、第２熱交換器と、前記第１媒体を減圧して膨張させる減圧弁と、によって構成されるヒートポンプ回路と、発電機と凝縮器と、ポンプと、によって構成されるランキンサイクルと、を備え、さらにヒートポンプ回路の圧縮機の圧縮翼とランキンサイクルの発電機のタービン翼とを接続する接続機構と、を備えている。このような構成によれば、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換できる。したがって、エネルギーを有効利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例の熱システムの構成を示すブロック図である。
【図２】熱システムの起動沸騰状態を説明する説明図である。
【図３】熱システムのシンクロアシスト状態を説明する説明図である。
【図４】熱システムの自己増殖・離脱状態を説明する説明図である。
【図５】熱システムのフル稼働状態を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１０】
（構成）
まず、図１を用いて本発明の熱システム１の全体構成を説明する。熱システム１は、図１に示すように、ヒートポンプ回路２と、ランキンサイクル３と、ヒートポンプ回路２とランキンサイクル３とを接続する接続機構としての中央クラッチ４１と、を備えている。
【００１１】
ヒートポンプ回路２は、外部から取り込んだ熱によって第１媒体を暖めるための第１熱交換器２１と、モータ２２の回転力によって第１媒体を圧縮する圧縮機としてのモータ２２と、圧縮された第１媒体によって第２媒体を暖めるための第２熱交換器２４と、第１媒体を減圧して膨張させる減圧弁２５と、によって構成される。さらに、減圧弁２５と第１熱交換器２１との間には、第３熱交換器２６と凝縮器３３（ランキンサイクル３にも配置）とが配置されている。
【００１２】
第１熱交換器２１は、外部から熱エネルギーを第１媒体に取り込む採熱器であり、その一例として、複数のフィンと、送風ファンと、を有する装置、いわゆる室外機がある。
【００１３】
圧縮機としてのモータ２２は、第1媒体を圧縮する圧縮翼２３に接続されて、いわゆるコンプレッサを構成している。モータ２２と圧縮翼２３との間には、圧縮機側クラッチ４２が配置されている。
【００１４】
第２熱交換器２４は、いわゆる蒸発器であり、外部より第１媒体に取り込んだ熱エネルギーを、圧縮翼２３でエネルギー密度を高めて高温にして、第２媒体を沸騰させる。ここにおいて、第２媒体として、例えば、アンモニア、ペンタン、フロンなど水よりも低沸点の熱媒体を用いることができる。第２熱交換器２４は、複数のフィンを有している。
【００１５】
減圧弁２５は、膨張弁とも呼ばれ、圧縮翼２３によって圧縮された第１媒体を膨張させて低温にする。これによって、第３熱交換器２６、及び、凝縮器３３における熱交換を効率よく行うことができるようにしている。
【００１６】
第３熱交換器２６は、冷房用の室内機であり、第２熱交換器２４を経て熱エネルギーを失った第１媒体の吸熱作用が、第３媒体（不図示、例えば、室内の空気）の冷却と、凝縮器３３における第２媒体の液化に利用できる。第３熱交換器２６は、複数のフィンと、送風ファンと、を有している。第３熱交換器２６と凝縮器３３は、減圧弁２５及びポンプ３４と第１熱交換器２１の間に配置されるが、順序は限定されない。
【００１７】
ランキンサイクル３は、第２熱交換器２４によって暖められて沸騰した第２媒体によって回転される発電機３２と、第２媒体を冷却して液体にする凝縮器３３と、第２媒体を第２熱交換器２４に送るためのポンプ３４と、によって構成される。
【００１８】
発電機３２は、第２媒体によって回転されるタービン翼３１に接続されて、いわゆる発電機（ジェネレータ、オルタネータ）を構成している。発電機３２とタービン翼３１との間には、発電機側クラッチ４３が配置されている。
【００１９】
凝縮器３３は、タービン内でタービン翼３１によって仕事を取り出された後の第２媒体（水よりも低沸点の媒体が気化したのも）を冷却して凝縮させ、低圧の飽和液に戻す。飽和液（第２媒体）はポンプ３４によって循環される。
【００２０】
そして、本実施例では、ヒートポンプ回路２の圧縮機としてのモータ２２の圧縮翼２３とランキンサイクル３の発電機３２のタービン翼３１とを接続する接続機構としての中央クラッチ４１を備えている。圧縮翼は、いわゆるターボチャージャーを構成する部品であり、本発明ではこの３つの装置（圧縮翼２３、タービン翼３１、中央クラッチ４１）をまとめて、タービンターボと呼ぶ。なお、タービンターボは、中央クラッチ４１をなくして両翼（圧縮翼２３、タービン翼３１）を直接繋ぐ場合もある。これは、多気筒式タービンターボの２気筒目以降に使用する事ができる。
【００２１】
（作用）
次に、本実施例の熱システム１の作用について説明する。
【００２２】
まず、図２を用いて、熱システム１の起動沸騰状態を説明する。起動沸騰状態では、圧縮機側クラッチ４２がＯＮで、中央クラッチ４１及び発電機側クラッチ４３がＯＦＦである。モータ２２により、第１媒体が圧縮され、ランキンサイクル内の第２媒体が沸騰してタービン翼３１が回転する。
【００２３】
次に、図３を用いて、熱システム１のシンクロアシスト状態を説明する。シンクロアシスト状態では、圧縮機側クラッチ４２及び中央クラッチ４１がＯＮで、発電機側クラッチ４３がＯＦＦである。タービン翼３１と圧縮翼２３の回転数が同調すると、中央クラッチ４１を繋ぐ。その後、モータ２２を減弱して、タービンターボの回転をアシストする。
【００２４】
次に、図４を用いて、熱システム１の自己増殖・離脱状態を説明する。自己増殖・離脱状態では、圧縮機側クラッチ４２がＯＦＦで中央クラッチ４１及び発電機側クラッチ４３がＯＮである。タービン翼３１のトルクが圧縮翼２３のトルクを上回ると、圧縮機側クラッチ４２を切り、モータ２２を離脱させる。その後、発電機側クラッチ４３を繋いで発電を開始する。
【００２５】
次に、図５を用いて、熱システム１のフル稼働状態を説明する。フル稼働状態では、圧縮機側クラッチ４２、中央クラッチ４１及び発電機側クラッチ４３のすべてがＯＮである。タービンターボの運動量が増加して、モータ３２の発電許容範囲を超す恐れのある回転速度に達した場合、すべてのクラッチ４１、４２、４３を繋ぐ。これによってモータ２２も発電に利用できる。発電量は、第１熱交換器２１で採熱量を調整する事で、制御することもできる。
【００２６】
（効果）
次に、本実施例の熱システム１の奏する効果を列挙して説明する。
【００２７】
（１）本実施例の熱システム１は、外部から取り込んだ熱エネルギーによって第１媒体を暖めるための第１熱交換器２１と、圧縮翼２３によって第１媒体を圧縮する圧縮機２２と、圧縮された第１媒体によって第２媒体を暖めるための第２熱交換器２４と、第１媒体を減圧して膨張させる減圧弁２５と、によって構成されるヒートポンプ回路２と、第２熱交換器２４によって暖められて沸騰した第２媒体によって回転される発電機３２と、第２媒体を冷却して液体にする凝縮器３３と、第２媒体を第２熱交換器２４に送るためのポンプ３４と、によって構成されるランキンサイクル３と、ヒートポンプ回路２の圧縮機としてのモータ２２の圧縮翼２３とランキンサイクル３の発電機３２のタービン翼３１とを接続する接続機構としての中央クラッチ４１と、を備える。このような構成によれば、ヒートポンプ回路２とランキンサイクル３とを中央クラッチ４１によって接続できるため、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換できる。したがって、エネルギーを有効利用できる。
【００２８】
（２）さらに、熱システム１は、ヒートポンプ回路２の圧縮機としてのモータ２２の圧縮翼２３とランキンサイクル３の発電機３２のタービン翼３２との間に配置される中央クラッチ４１をさらに備えることで、単純な構成によって両者を接続できるうえ、制御もしやすくなる。
【００２９】
（３）また、熱システム１は、ヒートポンプ回路２の圧縮機としてのモータ２２の圧縮翼２３とモータ２２の回転軸との間に配置される圧縮機側クラッチ４２と、ランキンサイクル３の発電機３２のタービン翼３１と発電機３２の回転軸との間に配置される発電機側クラッチ４３と、をさらに備える。これによって、いっそうエネルギーを有効活用できる。
【００３０】
さらに、ヒートポンプ回路２のモータ２２とランキンサイクル３の発電機３２との接続を切り替えることで、いわゆる回生運転なども実施することができる。例えば、モータ２２による圧縮翼２３の回転を止めるために、圧縮機側クラッチ４２を切り、中央クラッチ４１及び発電機側クラッチ４３を繋ぐことで、発電しながらモータ２２の回転を止めることができる。逆に、タービン翼３１の回転を止めるために、発電機側クラッチ４３を切り、中央クラッチ４１及び圧縮機側クラッチ４２を繋ぐことで、圧縮しながら発電機３２の回転を止めることができる。
【００３１】
（４）さらに、熱システム１において、ランキンサイクル３の凝縮器３３は、ヒートポンプ回路２の減圧弁２５と第２熱交換器２４との間に接続されることで、減圧弁２５によって膨張した第１媒体の熱エネルギーを有効に利用できる。
【００３２】
（５）また、熱システム１は、減圧弁２５と凝縮器３３との間に、冷房用の第３熱交換器２６をさらに備えることで、いっそう熱エネルギーを有効に利用できる。
【００３３】
（６）そして、本実施例の熱システムの運転方法は、上述したいずれかに記載された熱システム１の運転方法であって、圧縮機側クラッチ４２を繋ぐステップと、モータ２２を回転させるステップと、タービン翼３１と圧縮翼２３の回転数の差が所定の閾値以内となった状態で、中央クラッチ４１を繋ぐステップと、モータ２２を減弱させるステップと、を備えている。このため、シンクロアシスト状態において、タービン翼３２をアシストすることができる。
【００３４】
（７）また、本実施例の熱システムの運転方法は、発電機側クラッチ４３を繋ぐステップと、圧縮機側クラッチ４２を切るステップと、をさらに備えている。このため、条件が整えば、自己増殖・離脱状態において、自動的に外部の熱を取り込んで冷房が利用でき、更に発電できるようになる。
【００３５】
以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。
【００３６】
例えば、第１熱交換器２１としては、通常の室外機タイプの熱交換器ではなく、ソーラーパネルの熱を採熱して用いることもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１          熱システム
２          ヒートポンプ回路
３          ランキンサイクル
２１        第１熱交換器
２２        モータ
２３        圧縮翼
２４        第２熱交換器
２５        減圧弁
２６        第３熱交換器
３１        タービン翼
３２        発電機
３３        凝縮器
３４        ポンプ
４１        中央クラッチ（接続機構）
４２        圧縮機側クラッチ
４３        発電機側クラッチ
【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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