(57)【要約】  エンジンヒートポンプ（１）の熱エネルギーを回収する方法であって、−凝縮機（４）内の熱を取り出す工程、−エンジン回収機（１１）内の熱を取り出す工程、−排気回収機（１７）内の熱を取り出す工程、−取り出した熱を冷却ループ（１８）が通過する熱放出機（２１）内に放出する工程を含み、本方法は、−前記熱エンジン（７）内の燃焼力を算出し、−蒸発機（３）で利用可能な冷却力を算出し、−冷却力の数値が燃焼力の数値を上回るように、熱エンジン（７）の回転速度を調整することができる。【選択図】図１
2017534833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却流体が中を循環するヒートポンプ（２）を備えるエンジンヒートポンプ（１）の熱エネルギーを回収する方法であって、前記エンジンヒートポンプ（１）は、
−  温源に接続している蒸発機（３）、
−  冷源に接続している凝縮機（４）、
−  圧縮機（５）、
−  膨張弁（６）、
−  前記圧縮機（５）に機械的に連結して該圧縮機を駆動する熱エンジン（７）であって、燃焼によって生じる排気ガスの出口を備える、熱エンジン（７）、
−  エンジン回収機（１１）と称する熱交換機を備える、熱エンジン（７）の冷却システム（８）、
−  排気回収機（１７）と称する、排気ガスの熱回収機、
を備え、
前記エンジンヒートポンプ（１）は、少なくとも１つの冷却ループ（１８）を画定し、該冷却ループの中を、前記凝縮機（４）、前記熱エンジン（７）および前記排気ガスから熱を取り出すための冷却液が循環する、方法において、前記凝縮機（４）、前記エンジン回収機（１１）および前記排気回収機（１７）が順に配置され、前記冷却ループ（１８）は、前記凝縮機（４）、前記エンジン回収機（１１）および前記排気回収機（１７）を通過し、前記方法は、
−  前記凝縮機（４）内の熱を取り出す工程、
−  前記エンジン回収機（１１）内の熱を取り出す工程、
−  前記排気回収機（１７）内の熱を取り出す工程、
−  取り出した熱を前記冷却ループ（１８）が通過する前記熱放出機（２１）内に放出する工程、
を含むことと、
前記エンジンヒートポンプ（１）は、
−  前記熱エンジン（７）内の燃焼力を算出し、
−  前記蒸発機（３）で利用可能な冷却力を算出し、
−  冷却力の数値が燃焼力の数値を上回るように、前記熱エンジン（７）の回転速度を調整する
ように構成されたコンピュータプログラムを含む制御ユニットを備えることとを特徴とする、方法。
【請求項２】
燃焼力を利用可能な最大燃焼力の３０％〜１００％に調整できるように、前記熱エンジン（７）の速度を制御することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
燃焼力は、噴入された燃料の量および燃料の下部または上部の発熱量に応じて計算されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
−  前記蒸発機（３）の上流に位置している温度プローブを用いて前記蒸発機（３）の上流で前記ヒートポンプ（２）の冷却流体の温度を測定する作業、
−  前記蒸発機（３）の上流に位置している圧力プローブを用いて前記蒸発機（３）の上流で前記ヒートポンプ（２）の冷却流体の圧力を測定する作業
を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
−  前記蒸発機（３）の下流に位置している温度プローブを用いて前記蒸発機（３）の下流で前記ヒートポンプ（２）の冷却流体の温度を測定する作業、
−  前記蒸発機（３）の下流に位置している圧力プローブを用いて前記蒸発機（３）の下流で前記ヒートポンプ（２）の冷却流体の圧力を測定する作業
を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記方法は、測定した圧力および温度に応じて所定の冷却流体に対して出された計算図表から、前記蒸発機（３）の上流および下流で前記冷却流体のエンタルピーを算出する作業を含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記方法は、前記冷却流体の質量流量と、前記蒸発機（３）の上流と下流との間の前記冷却流体のエンタルピーの差との積を求めることで、前記蒸発機（３）での冷却力を計算する作業を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
冷却流体が中を循環するヒートポンプ（２）を備えるエンジンヒートポンプ（１）であって、
−  温源に接続している蒸発機（３）、
−  冷源に接続している凝縮機（４）、
−  圧縮機（５）、
−  膨張弁（６）、
−  前記圧縮機（５）に機械的に連結して該圧縮機を駆動する熱エンジン（７）であって、燃焼によって生じる排気ガスの出口を備える、熱エンジン（７）、
−  エンジン回収機（１１）と称する熱交換機を備える、前記熱エンジン（７）の冷却システム（８）、
−  排気回収機（１７）と称する、排気ガスの熱回収機、
を備え、
前記エンジンヒートポンプ（１）は、少なくとも１つの冷却ループ（１８）を画定し、該冷却ループの中を、前記凝縮機（４）、前記エンジンおよび排気ガスの熱を取り出すための冷却液が循環する、エンジンヒートポンプにおいて、前記凝縮機（４）、前記エンジン回収機（１１）および前記排気回収機（１７）が順に配置され、前記冷却ループ（１８）は、前記凝縮機（４）、前記エンジン回収機（１１）および前記排気回収機（１７）を通過することと、前記エンジンヒートポンプ（１）は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成されたコンピュータプログラムを含む制御ユニットを備えることとを特徴とする、
エンジンヒートポンプ。
【請求項９】
−  温度プローブ、
−  圧力プローブ、および
−  流量プローブ、
を備え、
前記コンピュータプログラムは、請求項４〜７のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成されることを特徴とする、請求項８に記載のエンジンヒートポンプ（１）。
【請求項１０】
前記エンジンヒートポンプ（１）は、産業廃水または生活排水のエネルギーを利用して再利用回路（２４）を循環する冷却液を再加熱することを特徴とする、請求項８または９に記載のエンジンヒートポンプ（１）の使用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ、および熱エンジンによって駆動される、以下エンジンヒートポンプおよび動力式温冷ポンプと称する温冷ポンプに関する。本発明は、特に、エンジンヒートポンプおよび動力式温冷ポンプのエネルギー効率に関する。
【背景技術】
【０００２】
温冷ポンプ（ｔｈｅｒｍｏｆｒｉｇｏｐｏｍｐｅ）という用語は産業分野で用いられ、高温と低温を同時に得られる構成になっているヒートポンプを指す。換言すると、高温の生成は、低温の生成とまったく同じように有効利用されている。
【０００３】
ヒートポンプは公知の装置である。ヒートポンプは、高温または低温の生成を必要とする様々な用途で使用される。そのため、空調装置、衛生温水生成装置、あるいはさらに単純に冷蔵庫の中にヒートポンプが見られる。
【０００４】
ヒートポンプは一般に蒸発機を備え、この蒸発機では、冷却流体が熱を吸収し、冷却流体はそこから状態を変化させて液相から気相に移行する。次に流体は圧縮機で圧縮され、その際に圧力および温度が急激に上昇する。その後、冷却流体は凝縮機を通過し、その名が示すとおり、冷却流体は熱が下がって凝縮される。冷却流体は、流体の圧力が低下する膨張弁を事前に通過して蒸発機へ戻る。ヒートポンプは、蒸発機を備えて膨張弁から圧縮機の入口まで広がる低圧回路を備えているとともに、凝縮機を備えて圧縮機の出口から膨張弁まで広がる高圧回路を備えていることに注意されたい。
【０００５】
圧縮機は、電動エンジンまたは熱エンジンに連結している。これ以降では、圧縮機が熱エンジンの使用を必要とするヒートポンプのみに対象を絞り、その補給に使用する燃料は一切区別しない。
【０００６】
ヒートポンプのエネルギー効率は、成績係数を用いて測定される。成績係数は、熱力学サイクルの効率に相当する係数を含むカルノー法で計算され得る。通常、ヒートポンプの成績係数は２〜１０である。一次エネルギーを電気ネットワーク上で電気エネルギーに変換する全体的な効率が知られており、国際エネルギー機関によって規定されている。エンジンヒートポンプがガスボイラーと同じくらい、すなわち一次エネルギーの１００％を有効利用するコンデンシングボイラーと同じくらい一次エネルギーを使用するためには、電動エンジンヒートポンプは少なくとも２．５８の成績係数を有していなければならず、これはフランスの電気ネットワークに対する一次エネルギーの係数値に相当する。エンジンヒートポンプは燃料によって供給された一次エネルギーを直接使用するため、その一次エネルギー係数ＣＥＰを確立できる。
【０００７】
温冷ポンプでは、低温も高温も使用される。そのため、視点を冷却流体からヒートポンプへ移すと、蒸発機で得られた低温は、例えば空調または製品冷却の需要に対して使用され、逆に凝縮機で得られた高温は、加熱の需要に割り当てられる。
【０００８】
ヒートポンプの圧縮機が熱エンジンによって作動するとき、熱をヒートポンプの冷却システムおよびヒートポンプの排気ガスから回収することが知られている。熱を利用するには、電力の二重変換を経ずにヒートポンプの圧縮機を熱エンジンの軸によって直接駆動することが有用である。
【０００９】
特許文献１には、熱エンジンによって作動するヒートポンプが記載されている。ヒートポンプの凝縮機は、高層建物に向けて水を再加熱するのに使用される。このように再加熱された水は３つの他の水源と混合され、各水源はそれぞれが、圧縮機の冷却回路、熱エンジンの冷却回路および排気ガスよって再加熱される。最終的に、再加熱されたこの４つの水源は収集機で混合され、その収集機で、そのように混合された水の温度は水源の温度および容積に比例して変化していく。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】英国特許第６５２１６２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この装置は、一見完全であるように見える。しかしながら、温水源から行われた無秩序な混合では、エネルギー効率を最適化することは絶対にできない。全く逆に、この方法は、さらに高温の水源の再加熱力を弱めるだけである。
【００１２】
その上、上記の文献に記載されている対策では、流路の入り組みが極めて複雑になってしまう。さらに、冷却回路および排気ガスからの熱の回収も無秩序である。最も高温の水源から引き出される（温度に関する）利点は、最も低温の水源によって打ち消されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第一に、冷却流体が中を循環するヒートポンプを備えるエンジンヒートポンプの熱エネルギーを回収する方法であって、エンジンヒートポンプは、
−  温源に接続している蒸発機、
−  冷源に接続している凝縮機、
−  圧縮機、
−  膨張弁、
−  圧縮機に機械的に連結して圧縮機を駆動する熱エンジンであって、燃焼によって生じる排気ガスの出口を備える、エンジン、
−  エンジン回収機と称する熱交換機を備える、熱エンジンの冷却システム、
−  排気回収機と称する、排気ガスの熱回収機、
を備え、
エンジンヒートポンプは、少なくとも１つの冷却ループを画定し、冷却ループの中を、凝縮機、熱エンジンおよび排気ガスから熱を取り出すための冷却液が循環し、冷却ループには、凝縮機、エンジン回収機および排気回収機が順に配置され、冷却ループは、凝縮機、エンジン回収機および排気回収機を通過する、方法において、該方法は、
−  凝縮機内の熱を取り出す工程、
−  エンジン回収機内の熱を取り出す工程、
−  排気回収機内の熱を取り出す工程、
−  取り出した熱を冷却ループが通過する熱放出機内に放出する工程、
を含み、
エンジンヒートポンプは、
−  熱エンジン内の燃焼力を算出し、
−  蒸発機で利用可能な冷却力を算出し、
−  冷却力の数値が燃焼力の数値を上回るように、熱エンジンの回転速度を調整する
ように構成されたコンピュータプログラムを含む制御ユニットを備える、
方法を提供する。
【００１４】
以下の様々な補足的特徴を、単独または組み合わせて設けてもよい。
−  本方法は、燃焼力を利用可能な最大燃焼力の３０％〜１００％の間に調整できるように、熱エンジンの速度を制御することを含む；
−  燃焼力は、噴入された燃料の量および燃料の下部または上部の発熱量に応じて計算される；
−  本方法は、
・  蒸発機の上流に位置している温度プローブを用いて蒸発機の上流でヒートポンプの冷却流体の温度を測定する作業；
・  蒸発機の上流に位置している圧力プローブを用いて蒸発機の上流でヒートポンプの冷却流体の圧力を測定する作業；
を含み、
−  本方法は、
・  蒸発機の下流に位置している温度プローブを用いて蒸発機の下流でヒートポンプの冷却流体の温度を測定する作業；
・  蒸発機の下流に位置している圧力プローブを用いて蒸発機の下流でヒートポンプの冷却流体の圧力を測定する作業；
を含み；
−  本方法は、測定した圧力および温度に応じて所定の冷却流体に対して出された計算図表から、蒸発機の上流および下流で冷却流体のエンタルピーを算出する作業を含み；
−  本方法は、冷却流体の質量流量と、蒸発機の上流と下流との間の冷却流体のエンタルピーの差との積を求めることで、蒸発機での冷却力を計算する作業を含む。
【００１５】
第二に、冷却流体が中を循環するエンジンヒートポンプであって、エンジンヒートポンプは、
−  温源に接続している蒸発機、
−  冷源に接続している凝縮機、
−  圧縮機、
−  膨張弁、
−  圧縮機に機械的に連結して圧縮機を駆動する熱エンジンであって、燃焼によって生じる排気ガスの出口を備える、熱エンジン、
−  エンジン回収機と称する熱交換機を備える、熱エンジンの冷却システム、
−  排気回収機と称する、排気ガスの熱回収機、
を備え、
エンジンヒートポンプは、少なくとも１つの冷却ループを画定し、冷却ループの中を、凝縮機、エンジンおよび排気ガスから熱を取り出すための冷却液が循環し、冷却ループには、凝縮機、エンジン回収機および排気回収機が順に配置され、冷却ループは、凝縮機、エンジン回収機および排気回収機を通過し、エンジンヒートポンプは、前述したような方法を実行するように構成されたコンピュータプログラムを含む制御ユニットを備える、
エンジンヒートポンプを提供する。
【００１６】
特定の実施形態によれば、エンジンヒートポンプは、
−  温度プローブ、
−  圧力プローブ、および
−  流量プローブ、
を備え、
コンピュータプログラムは、前述したような方法を実行するように構成される。
【００１７】
第三に、産業廃水または生活排水のエネルギーを利用して再利用回路を循環する冷却液を再加熱するための前述したようなエンジンヒートポンプの使用法を提供する。
【００１８】
本発明のその他の目的および利点は、添付の図面を参照して以下に記載する実施形態の説明に照らして明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態によるエンジンヒートポンプの概略図である。
【図２】第２の実施形態によるエンジンヒートポンプの概略図である。
【図３】第３の実施形態によるエンジンヒートポンプの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本明細書の第一部では、様々な実施形態の共通点を説明する。図１〜図３のそれぞれは、
−  蒸発機３、
−  凝縮機４、
−  圧縮機５、および
−  膨張弁６
を含むヒートポンプ２を備えるエンジンヒートポンプ１を示している。
【００２１】
圧縮機５は、燃料を補給される熱エンジン７に機械的に連結している。冷却流体がヒートポンプ２を循環する。冷却流体は非共沸混合物である（温度変動混合物という呼称でも知られている）。非共沸混合物は複数の流体を含み、その流体の揮発性は互いに異なる。したがって、蒸発温度も互いに異なる。
【００２２】
熱エンジン７は、
−  冷却回路９、
−  冷却ポンプ１０、
−  以下、エンジン回収機１１と称する熱交換機
を備える冷却システム８を用いて冷却される。
【００２３】
冷却ポンプ１０の作動によって、冷却液、例えばグリコール水が冷却回路９を循環する。冷却液は熱エンジン７内で温度が上昇し、エンジン回収機１１内で温度が低下する。
【００２４】
熱エンジン７内の燃料の燃焼は、排気ガスを発生させる。排気ガスは、排気管１２から出てから排気ガスの熱交換機１３に入る。
【００２５】
排気ガスの熱は、回収ループ１４を介して取り出される。回収ループ１４は、冷却液が循環する排気流体回路１５を備えている。排気流体回路１５での冷却液の循環を排気ポンプ１６が実現する。排気流体回路１５は、排熱回収機１７を通過して、排気ガスの熱交換機１３で得た熱を放出する。
【００２６】
エンジンヒートポンプ１は、冷却液が循環する冷却回路１９を備えた冷却ループ１８を備えている。冷却回路１９での冷却液の循環を冷却ポンプ２０が実現する。冷却ループ１８は、冷却回路１９がヒートポンプ２の凝縮機４、エンジン回収機１１、排気回収機１７および熱放出機２１を通過するように配置される。冷却ループ１８はこのように、冷却ループ１８によって、温度が上昇する順序で熱エンジン７、排気ガスおよび凝縮機４の熱を再利用する。冷却ループは、この熱を熱放出機２１によって放出する。
【００２７】
エンジンヒートポンプ１は、産業廃水あるいは生活排水を利用してその熱を再利用する。排水は、ヒートポンプの蒸発機３で蒸発機の入口２２を通って温度ｔ１でエンジンヒートポンプ１に入る。排水は、蒸発機の出口２３を通ってｔ１よりも低いｔ２でエンジンヒートポンプ１から出る。それと平行して熱再利用回路２４が熱放出機２１を通過している。この再利用回路２４では、放出機の入口２５を通って熱放出機２１に入る冷却液が温度ｔ３で循環する。冷却液は、放出機の出口２６を通ってｔ３よりも高い温度ｔ４で熱放出機２１から再び出る。
【００２８】
以上の構成により、エンジンヒートポンプの高い一次エネルギー係数を得ることができる。
【００２９】
以下に論理的な大きさを定義する。
−  凝縮機で利用可能な動力は、４ＱＫ＝Ｑ０＋Ｗであり、式中Ｑ０は、蒸発機３に吸収される動力（冷却力）であり、Ｗは、熱エンジン７によって供給されヒートポンプ２の圧縮機５によって冷却流体へ伝達される圧縮機５の機械動力である；
−  ヒートポンプの成績係数は、
【数１】
2017534833.tif 000003
であり；
−  燃料によって供給される動力は、Ｑｃｏｍｂ＝Ｑｏｕｔ＋Ｗであり、式中Ｑｏｕｔは、熱エンジン７によって動力ブロックで失われかつ排気時に失われる熱力である；
−  熱効率が１である（計算を簡易化するため）エンジンヒートポンプ１の一次エネルギー係数は、
【数２】
2017534833.tif 000004
であり；
−  熱エンジン７の機械効率は、
【数３】
2017534833.tif 000005
であり；
−  熱エンジン７および排気ガスに関するエネルギー回収率は、
【数４】
2017534833.tif 000006
であり、式中Ｑｒｅｃは、熱エンジン７で回収されかつ排気時に回収される熱力である。
【００３０】
エンジンヒートポンプ１の一次エネルギー係数は以下のように記述される。
【００３１】
【数５】
2017534833.tif 000007
【００３２】
分子および分母を圧縮力Ｗで割る。
【００３３】
【数６】
2017534833.tif 000008
【００３４】
これによって次式のヒートポンプ２の成績係数を表すことができる。
【００３５】
【数７】
2017534833.tif 000009
【００３６】
上記に定義した大きさにより、Ｑｏｕｔ＝Ｑｃｏｍｂ−Ｗであり、上記の式によれば次式のようになる。
【００３７】
【数８】
2017534833.tif 000010
【００３８】
機械効率の定義によれば、次式のようになる。
【００３９】
【数９】
2017534833.tif 000011
ＣＥＰ＝Ｒｍeｃａ×ＣＯＰＰＡＣ＋１−Ｒｍeｃａ
【００４０】
熱効率Ｒｔｈを追加すると、理論的には、これ以降で式Ａと称する次式が得られる。
ＣＥＰ＝Ｒｍeｃａ×ＣＯＰＰＡＣ＋Ｒｔｈ×（１−Ｒｍeｃａ）
【００４１】
上記の式Ａは、エンジンヒートポンプ１の一次エネルギー係数がヒートポンプ２の成績係数、熱エンジン７の機械効率および熱エネルギー回収率に応じて変化することを示している。
【００４２】
一次エネルギー係数を１とし（コンデンシングボイラーと比較してエンジンヒートポンプを使用することが有用である最低閾値となる）、熱効率および機械効率をそれぞれ０.８および０.３５と設定すると、最低ＣＯＰＰＡＣは２.０５になる。この値は、フランスネットワークの電気を使用したときの最低ＣＯＰよりも小さい。コンデンシングボイラーよりもエンジンヒートポンプを使用する特定の利点がそこにある。
【００４３】
ヒートポンプ２の成績係数は、ヒートポンプ２の蒸発機３と凝縮機４との間の温度差に応じて変化する。しかしながら、産業または住宅で使用されるヒートポンプ２は既に高性能である。実際、これらのヒートポンプ２は温度が３０℃〜６０℃にわたる水に対してエネルギーを回収する。これらのヒートポンプ２はその後、３０℃〜５０℃に及ぶ範囲で温度が上昇する。そのような仕事をするヒートポンプ２の成績係数は４〜８である。
【００４４】
ヒートポンプの成績係数がいくつであっても、本出願人によって導かれた実験から、蒸発機３で利用可能な冷却力が熱エンジン７で利用可能な燃焼力よりを上回っているとき、エネルギー効率がより高いことがわかった。
【００４５】
本出願人は、これらの所見の論理的側面について熟考した。以下に紹介する数学的手法は、現象をモデル化する試行にすぎない。
【００４６】
熱効率が１である（計算を簡易化するため）システムの成績係数の式から再度始める。これによって、２つの熱源すなわちＱＫおよびＱｃｏｍｂに応じて回収された動力Ｑｒｅｃを表すことが可能になる。
【００４７】
【数１０】
2017534833.tif 000012
【００４８】
両者にＱｃｏｍｂを掛ける。
Ｑｃｏｍｂ×ＣＥＰ＝ＱＫ＋Ｑｒｅｃ
Ｑｃｏｍｂ×ＣＥＰ＝Ｑ０＋Ｗ＋Ｒｔｈ×Ｑｏｕｔ
【００４９】
燃料によって供給された動力の定義により、
Ｑｃｏｍｂ×ＣＥＰ＝Ｑ０＋Ｗ＋Ｒｔｈ×（Ｑｃｏｍｂ−Ｗ）
Ｑｃｏｍｂ×（ＣＥＰ−Ｒｔｈ）＝Ｑ０＋Ｗ−Ｒｔｈ×Ｗ
Ｑｃｏｍｂ×（ＣＥＰ−Ｒｔｈ）＝Ｑ０＋Ｗ×（１−Ｒｔｈ）
となる。
【００５０】
Ｗ＝ＲｍeｃａｘＱｃｏｍｂのとき、
Ｑｃｏｍｂ×（ＣＥＰ−Ｒｔｈ）＝Ｑ０＋Ｒｍeｃａ×Ｑｃｏｍｂ×（１−Ｒｔｈ）
Ｑ０＝Ｑｃｏｍｂ×［ＣＥＰ−Ｒｔｈ−Ｒｍeｃａ×（１−Ｒｔｈ）］
である。
【００５１】
最終的に以下の式が得られ、これを以下式Ｂと称する。
【００５２】
【数１１】
2017534833.tif 000013
【００５３】
式Ｂは、一次エネルギー係数、エンジンの機械効率およびエンジンによって失われた熱の回収率のみに応じて２つの熱源の関係を確立することに注意されたい。
【００５４】
数式Ｂにより、Ｑ０に関して重要な確認ができる。通常の熱効率Ｒｔｈを８０％とし、熱エンジンに対する標準の機械効率Ｒｍeｃａを３５％とし、一次エネルギー係数を１とすると、
【００５５】
【数１２】
2017534833.tif 000014
Ｑ０−０．１３×Ｑｃｏｍｂ
となる。
【００５６】
一次エネルギー係数がガスで動作するコンデンシングボイラーの一次エネルギー係数と等しい場合（ＣＥＰ＝１）、コンデンシングボイラーが使用する一次エネルギーの１００％を有効利用する点に改めて注目すると、（同じ性能を得るためには）動力Ｑ０はＱｃｏｍｂの少なくとも１３％でなければならないことがわかる。よって、動力Ｑ０をＱｃｏｍｂの少なくとも１３％よりも高くすることで、エンジンヒートポンプを有するコンデンシングボイラーよりも良好な一次エネルギー係数を得ることが可能に思われる。
【００５７】
動力Ｑ０が動力Ｑｃｏｍｂと等しく効率が前回と同じ値だとすると、式Ｂから第２の確認ができる。
ＣＥＰ＝１＋０．８＋０．３５×（１−０．８）＝１．８７
【００５８】
動力Ｑ０が燃焼力Ｑｃｏｍｂと等しい限り、一次エネルギー係数の値は既に約１．９である。
【００５９】
よって、エンジンヒートポンプ１の一次エネルギー係数は、冷却力が燃焼力より強くなるほど大きくなることがわかる。燃焼力に作用するためには、熱エンジンの動力は可変的である必要がある。そのため、エンジンヒートポンプ１のエネルギー性能を向上させるという視点から、燃焼力は冷却力よりも十分に弱くなるように適切に調整され得る。
【００６０】
図示した実施形態は、熱エンジン７で利用可能なエネルギーの約８０％を回収できるエンジンヒートポンプ１の構成を示している。熱エンジン７で利用可能なエネルギーは、熱エンジン７を冷却して回収したエネルギーおよび排気ガスから回収したエネルギーに相当する。熱エンジン７の機械効率は少なくとも０．３であり、ヒートポンプ２の成績係数は２〜１０である。
【００６１】
以下に、具体的な例を用いて、冷却力Ｑ０が燃焼力Ｑｃｏｍｂよりも大きいときに凝縮機ＱＫに供給された動力と熱エンジンで回収した熱力との比を数値で示す。計算にあたり、Ｒｍeｃａを０．３５とし、Ｒｔｈを０．８とする。エンジンヒートポンプ１のＣＥＰはおよそ２であり、すなわち実際に必要な一次エネルギーは２で割ったものである。
【００６２】
例として温度ｔ１を３０℃とし、温度ｔ２を６０℃とし、温度ｔ３を７０℃とし、温度ｔ４を１２０℃とする。この設定では、蒸発機３に入る流体は６０℃であり、３０℃に冷却されてそこから再び出る。それと平行して、熱放出機２１は差が５０℃になるまで温度を上昇させる。流体は熱放出機に７０℃で入り、１２０℃に再加熱されてそこから再び出る。
【００６３】
上記に定義した温度ｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４に基づいて、ヒートポンプ２内の冷却流体は２８℃から５８℃まで変化して６０℃〜３０℃の排水を冷却する。蒸発機３で冷却流体が蒸発する平均温度は約４３℃である。
【００６４】
冷却ループ１８で回収された動力Ｑｒｅｃは、凝縮機４で利用可能な動力ＱＫと、以下Ｑｒｅｆと称するエンジン回収機１１での冷却力と、熱効率Ｒｔｈに応じて表される排気回収機１７で利用可能な動力Ｑｅｃｈとの合計に相当する。よって、冷却ループ１８での熱の配分は以下のようになる。
Ｑｒｅｃ＝ＱＫ＋Ｑｒｅｆ＋Ｒｔｈ×Ｑｅｃｈ
ＱＫ＝Ｑ０＋Ｗのとき、
Ｑｒｅｃ＝Ｑ０＋Ｗ＋Ｑｒｅｆ＋Ｒｔｈ×Ｑｅｃｈ
となり、
Ｗ＝ＱｃｏｍｂｘＲｍeｃａであるため、
Ｑｒｅｃ＝Ｑ０＋ＱｃｏｍｂｘＲｍeｃａ＋Ｑｒｅｆ＋Ｒｔｈ×Ｑｅｃｈ
が得られ、
Ｑ０をＱｃｏｍｂに応じた式に置き換えると、
Ｑｒｅｃ＝［ＣＯＰｓｙｓ−Ｒｔｈ−Ｒｍeｃａ×（１−Ｒｔｈ）］×Ｑｃｏｍｂ＋Ｑｃｏｍｂ×Ｒｍeｃａ＋Ｑｒｅｆ＋Ｒｔｈ×Ｑｅｃｈ
となる。
【００６５】
ＣＥＰが約２（正確には１．８７）、熱効率Ｒｔｈが０．８、かつ機械効率が０．３５である場合、凝縮機ＱＫで利用可能な動力はその他の動力を大幅に圧倒する点に留意することが重要である。この動力は、冷却ループ１８で供給される熱エネルギーの約８０％に相当する。この２つの動力すなわちＱｒｅｆおよびＱｅｃｈはそれぞれ８％および１２％になる。
【００６６】
冷却ループ１８は、５０℃の再加熱を可能にする。前段落に記載したパーセンテージから、凝縮機４によって温度を４０℃上昇させて７０℃を１１０℃にすることが可能になることを導くことができ、エンジン回収機１１は８％程度すなわち４℃寄与して、１１０℃を１１４℃にし、最終的に排気回収機１７は１２％すなわち６℃をもたらし、１１４℃を１２０℃にする。
【００６７】
ヒートポンプ２の冷却流体が凝縮する平均温度は約９２℃であり、これは蒸発機３と３９℃の温度差に相当する。これをもとに、ヒートポンプの成績係数２は、カルノー法を用いて以下のように算出される。
【００６８】
【数１３】
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【００６９】
しかし、市場での圧縮機の効率はおよそ０．６程度である。よってヒートポンプ２の実際の成績係数は、
ＣＯＰＰＡＣ＝７．４５×０．６＝４．４７
である。
【００７０】
ヒートポンプの一次エネルギー係数に応じてエンジンヒートポンプ１の一次エネルギー係数の式を再度当てはめると、
ＣＥＰ＝０．３５×４．４７＋０．８×（１−０．３５）＝２．０８
が得られる。
【００７１】
回収された動力の式を再度当てはめると、
Ｑｒｅｃ＝［ＣＥＰ−Ｒｔｈ−Ｒｍeｃａ×（１−Ｒｔｈ）］×Ｑｃｏｍｂ＋Ｑｃｏｍｂ×Ｒｍeｃａ＋Ｑｒｅｆ＋Ｒｔｈ×Ｑｅｃｈ
となり、
Ｑｅｃｈ＝Ｒｍeｃａ×Ｑｃｏｍｂ
である。
【００７２】
圧縮機５が熱エンジンによって作用するヒートポンプ２では、燃焼力Ｑｃｏｍｂに応じた熱力の通常の配分は以下のようになる。約３５％が機械の働き、２０％が冷却力Ｑｒｅｆ（熱エンジンに対する定常状態で測定した値）、３５％が排気、そして最後に１０％が放射による損失およびエンジンオイルに伝達された熱に由来する。
Ｑｒｅｃ＝１．２１．Ｑｃｏｍｂ＋０．３５．Ｑｃｏｍｂ＋０．２．Ｑｃｏｍｂ＋０．２８．Ｑｃｏｍｂ
Ｑｒｅｃ＝１．５６．Ｑｃｏｍｂ＋０．４８．Ｑｃｏｍｂ２．０４．Ｑｃｏｍｂ
【００７３】
この場合、回収された動力全体のうち、凝縮機４は７６％程度寄与し、エンジン回収機１１と排気回収機１７とを合わせて２４％程度寄与している。
【００７４】
凝縮機４で利用可能なエネルギーの２３％が熱エンジン７の機械エネルギーに由来する点に留意することが重要である。残りは７７％程度が（冷源の）蒸発機３に由来する。
０．７７×１．５６÷２．０４＝０．５８９
【００７５】
よって、蒸発機３は正確には、回収された全熱力の５９％程度寄与し、これはＱ０に相当する。残りの動力すなわち４１％は、（排気ガスおよび熱エンジンの冷却回路で回収された）熱力Ｑｃｏｍｂに由来する。それによって、平均９５℃で使用して再利用回路２４で１２０℃の温度ｔ４を得ることが可能になり、これは、蒸発機で利用可能な平均温度４３℃の排水から得たものである。
【００７６】
このようにして、提供されたパラメータすなわち温度ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、および効率ＲｔｈおよびＲｍeｃａ、ならびにＣＯＰＰＡＣを用いて、一次エネルギーの有効利用は係数２で行われ、冷源で取り出された動力は燃料によって供給された動力を上回っていることを確認した。明らかになった様々な比率により、エンジンヒートポンプの微調節が可能になり、最高のエネルギー効率を達成できる。
【００７７】
熱エンジン７（およびヒートポンプ２の圧縮機５）の回転速度を変化させるため、エンジンヒートポンプ１は、有利には、コンピュータ制御ユニット（図示せず）を備えている。
【００７８】
コンピュータ制御ユニットは、エンジンヒートポンプ１に命令する制御方法を規定するコンピュータプログラムを備えている。この方法は、複数の異なる要因に基づいていてもよく、そのうちの１つは、冷却ループ１８で回収された動力を燃焼力に比例して返すことからなるものであってもよい。コンピュータプログラムは、燃焼力が利用可能な全燃料力の３０％から１００％の間で調整可能になるように熱エンジン７の回転速度を変化させることができる。したがって、圧縮機５の規則およびそれに伴い冷却力の規則をもたらす熱エンジン７の速度が増減する規則が導き出される。熱エンジン７の回転速度を制御するこのような法則に基づく方法により、有利には、最適なエネルギー効率を引き出すことができる。
【００７９】
有利には、ヒートポンプ２は、ヒートポンプ２内の蒸発機３の上流および下流に温度プローブおよび圧力プローブ（図示せず）を備えている。測定した温度および圧力により、所定の冷却流体に対して出された計算図表から、蒸発機３の上流および下流での冷却流体のエンタルピーを算出できる。ヒートポンプ２は、ヒートポンプ２内の冷却流体の流量を測定するために流量プローブも備えている。流量をもとに、制御ユニットは、所定の温度で明らかに知られている冷却流体の密度を掛けて質量流量を計算する。その後、制御ユニットは、冷却流体の質量流量と、蒸発機３の上流と下流との間のエンタルピーの差との積を求めることで、蒸発機３で利用可能な冷却力を正確に算出する。
【００８０】
燃焼力は、熱エンジン７に噴入された燃料の量と、燃料の上部または下部の発熱量との積を求めることで算出される。
【００８１】
第１の実施形態
図１には、前述したようなエンジンヒートポンプ１を、様々な実施形態に共通の部分に示している。
【００８２】
図１に示した実施形態では、冷却ループ１８は、凝縮機４、エンジン回収機１１、排気回収機１７および放出機２１を順に通過する。
【００８３】
排気回収機１７は、温度が最も高い回収機である。そのため、排気回収機１７は行程最後の放出機２１の直前に位置している。実際、熱の再利用は、冷却液が、温度が上昇する順で交換機を通って順に循環する場合の方がよい。この逆では純粋な損失にしかならない。この推論から、エンジン回収機１１および排気回収機１７は逆流で機能することが有利である。このように、最も低温の冷却液は最も低温の回収機１１、１７の部分と接触し、回収機１１、１７内の冷却液の行程の最後ではこの逆になる。
【００８４】
第２の実施形態
図２は、冷却ループ１８の変形例を示している。エンジン回収機１１は凝縮機４の前に位置している。よって放出機２１から来る冷却液が最初に再加熱されてから凝縮機４に到達し、その後、排気回収機１７に到達する。
【００８５】
これは、エンジン回収機１１が凝縮機４の温度よりも低い温度であることを示唆している。エンジンヒートポンプに対し、温度が上昇する方向に順序立てて熱を回収することが極めて重要であることがわかる。
【００８６】
第３の実施形態
図３では、冷却ループ１８は第１の実施形態と同じである。相違は、排気熱交換機１３の出口で排気ガスの残熱を捕らえるように残熱交換機２７が追加されている点にある。残熱交換機２７は、ヒートポンプ２の蒸発機３と圧縮機５との間にある残熱回収機２８に熱を供給する。冷却流体は、蒸発機３の出口で残熱回収機２８によって再加熱されてから圧縮機５で圧縮される。
【００８７】
ただし、この構成は、残熱交換機２７内の排気ガスの温度が蒸発機３から出る冷却流体の温度よりも高い場合にのみ有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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