(57)【要約】  熱源（６）の熱利用率を高める装置（１）が提供される。この装置（１）は、ヒートシンク（２）と、凝縮器（４１）及び蒸発器（４２）を有するヒートポンプ（４）と、熱源（６）とを備える。ヒートシンク（２）は、熱交換器（１２）を介した熱源（６）との熱的結合に関与するヒートシンク往流（２１）及びヒートシンク復流（２２）をもち、熱源（６）は、熱交換器（１２）を介したヒートシンク（２）との熱的結合に関与する熱源往流（６１）及び熱源復流（６２）をもつ。ヒートポンプ（４）の凝縮器（４１）は、ヒートシンク（２）への熱放出のためにヒートシンク往流（２１）と熱的に結合される。本発明によれば、ヒートポンプ（４）の蒸発器（４１）が、熱交換器（１２）の下流で、熱吸収のために熱源復流（６２）と熱的に結合される。さらに本発明は、本発明に係る装置（１）又はその一態様を用いて熱源（６）の熱利用率を高める方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源（６）の熱利用率を高める装置であって、
ヒートシンク（２）と、凝縮器（４１）及び蒸発器（４２）を有するヒートポンプ（４）と、熱源（６）とを備え、
前記ヒートシンク（２）は、熱交換器（１２）を介した前記熱源（６）との熱的結合に関与するヒートシンク往流（２１）及びヒートシンク復流（２２）をもち、
前記熱源（６）は、前記熱交換器（１２）を介した前記ヒートシンク（２）との熱的結合に関与する熱源往流（６１）及び熱源復流（６２）をもち、
前記ヒートポンプ（４）の凝縮器（４１）は、前記ヒートシンク（２）への熱放出のために、前記ヒートシンク往流（２１）と熱的に結合され、
前記ヒートポンプ（４）の蒸発器（４１）は、前記熱交換器（１２）の下流で、熱吸収のために前記熱源復流（６２）と熱的に結合されている、装置。
【請求項２】
前記ヒートシンク（２）が地域暖房網の一部である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記熱源（６）が少なくとも地熱源又は産業廃熱源である、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記ヒートポンプ（４）が高温ヒートポンプとして構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記ヒートポンプ（４）は、Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１３３６ｍｚｚ、ブタン、シクロペンタン、フルオロケトン、及びこれらの物質の混合物のいずれか１つ以上を含有した作動流体を含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記ヒートポンプ（４）は、少なくとも１メガワットの電力をもつ、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置（１）を用いて熱源（６）の熱利用率を高める方法であって、
前記熱交換器（１２）により前記熱源（６）から前記ヒートシンク復流（２２）へ熱を伝達する過程と、
前記ヒートポンプの凝縮器（４１）から前記ヒートシンク往流（２１）へ熱を伝達する過程と、
前記熱源復流（６２）から前記ヒートポンプ（４）の蒸発器（４２）へ熱を伝達する過程とを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の主題の装置と請求項７の主題の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術において、産業プロセスからの廃熱や地熱源からの熱が、熱消費体に、すなわちヒートシンクに、熱を提供するために利用されている。この熱は、通常、熱交換器又は追加的なヒートポンプを用いてヒートシンクに伝達される。
【０００３】
熱源から供給される熱が熱交換器を介してヒートシンクに伝達される場合、このヒートシンクは一般的に、熱交換器を介する流体のヒートシンク復流とヒートシンク往流とをもつ。そのヒートシンク復流はヒートシンク往流よりも低い温度を有する。すなわち、熱の少なくとも一部がヒートシンクによって消費される。
【０００４】
同様に熱源も一般的に、熱交換器を介する熱源復流と熱源往流とをもつ。その熱源往流の温度は、熱交換器による熱伝達のために、熱源復流の温度よりも高くなっている。熱交換器によるヒートシンクと熱源との熱的結合のため、熱源復流の温度はヒートシンク復流の温度に従って制限される。換言すれば、熱がヒートシンクに伝達されるようになっている場合の熱源復流の温度は、それ以上下げることができない。
【０００５】
さらにヒートシンク往流の温度は、熱源往流の温度に従って制限されている。上述の制限から、熱源はそのエンタルピーに関して十分に利用することができないという欠点がある。すなわち、熱源の熱利用効率はそれにより制限されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、熱源の熱利用効率を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は、独立形式請求項１の特徴を備えた装置によって、さらに、独立形式請求項７の特徴を備えた方法によって、解決される。引用形式の請求項には、本発明の有利な態様及び派生が示されている。
【０００８】
熱源の熱利用効率を高める本発明に係る装置は、少なくとも、ヒートシンクと、凝縮器及び蒸発器を有するヒートポンプと、熱源とを備える。そのヒートシンクは、熱交換器を介した熱源との熱的結合に関与するヒートシンク往流及びヒートシンク復流をもつ。熱源は、熱交換器を介したヒートシンクとの熱的結合に関与する熱源往流及び熱源復流をもつ。そして、ヒートポンプの凝縮器は、ヒートシンクへ熱を放出するためにヒートシンク往流と熱的に結合されている。本発明によれば、ヒートポンプの蒸発器が、熱交換器の下流で、特に熱交換器の直後で、熱を吸収するために熱源復流と熱的に結合されている。
【０００９】
ヒートシンク往流及びヒートシンク復流は、好ましくは流体のヒートシンク循環流をなし、このときのヒートシンク復流の流体が少なくとも熱交換器により加熱される。この熱交換器による加熱の後、ヒートシンク復流はヒートシンク往流となる。したがって、ヒートシンク往流はヒートシンク復流と比較して温度がより高い。
【００１０】
熱源往流及び熱源復流は、好ましくは流体の熱源循環流をなし、このときの熱源往流の流体が少なくとも熱交換器により冷却され、そしてその熱がヒートシンク復流へ少なくとも部分的に伝達されて、ヒートシンク往流が生成される。熱交換器による熱源往流の冷却の後、熱源往流は熱源復流となる。熱源復流は、代替として又は追加的に、部分的又は完全に排出され、つまり部分的又は完全に熱源へは戻されない。
【００１１】
相対的配置、例えば、装置の１つの要素の直前（上流）又は直後（下流）に別の要素を配置するということは、少なくとも循環流の方向か流体の流れの方向、例えばヒートシンク循環流の方向に関係する。ヒートシンク循環流は、ヒートシンク往流及びヒートシンク復流により形成される。
【００１２】
本発明に係る装置は、特に、熱源復流と熱的に結合されている蒸発器が熱源復流の温度を低下させることが可能であるということを特徴とする。これにより熱源がさらに冷却されることにより、熱利用効率が高くなる利点がある。
【００１３】
蒸発器により熱源復流から吸収された熱は、ヒートポンプの凝縮器によりヒートシンク往流へ伝達される。これにより熱源は、そのエンタルピーに関して利用が改善され、その結果、より多くの熱、増大した熱出力、あるいはより高い温度を、ヒートシンクに対して提供することができる。すなわち、本発明による、熱源や熱源循環流へのヒートポンプの組み込みによって、熱源復流がよりいっそう冷却されると共にヒートシンク往流がよりいっそう加熱される。
【００１４】
産業廃熱源（熱源）では、熱源復流は、従来技術によれば、当該復流を例えば廃水流として排出することができるようになる前に、冷却装置、具体的には冷却塔、を使用して冷却しなければならない。本発明により提供される熱源復流のもう一段階の冷却の結果、熱源復流がより強く冷却されるので、熱源復流を冷却するための複雑でコストのかかる冷却装置を省略できる利点がある。さらに有利なことには、ヒートポンプの凝縮器によってヒートシンク往流の温度が高められる。このようにして廃熱源は、そのエンタルピーに関し改善されて利用される。
【００１５】
地熱源（地熱の熱源）では、その熱源復流がより強く冷却されることにより、当該熱源の熱利用効率が改善される利点がある。さらに言えば、地熱源には探査というリスクがある。このリスクには、ボーリング孔からの熱水の温度及び質量流量のポテンシャルを十分な確実性を持って予測することができないという事実が関係している。本発明によれば、このようなリスクを顕著に低減することができ、あるいは、高額の保険契約を避けることができる。
【００１６】
本発明に係る装置又はその一態様を用いて熱源の熱利用効率を高める本発明に係る方法は、少なくとも、熱交換器により熱源からヒートシンク復流へ熱を伝達する過程と、ヒートポンプの凝縮器からヒートシンク往流へ熱を伝達する過程と、熱源復流からヒートポンプの蒸発器へ熱を伝達する過程とを含む。
【００１７】
この本発明に係る方法には、本発明に係る装置と同様、同等の利点がある。
【００１８】
本発明の一態様において、ヒートシンクは地域暖房網の一部をなす。この場合、当該地域暖房網の熱出力を増大することができるという利点がある。
【００１９】
熱源が地熱源（地熱の熱源）か又は産業廃熱源である場合、あるいはその両方である場合、さらに有益である。この構成によると、地熱源の熱源復流の温度をさらに低下させることができ、その結果、地熱源をより良好に冷却してその利用効率を向上させることができる利点がある。産業廃熱源に関しては、熱源復流を冷却する複雑でコストのかかる冷却装置を省略することができるという利点がある。
【００２０】
本発明の一態様によれば、ヒートポンプは、高温ヒートポンプとして構成されている。高温ヒートポンプとは、その凝縮器における熱出力が摂氏９０度を超える、好ましくは摂氏１００度を越えることを可能とするヒートポンプを意味する。
【００２１】
これによってヒートシンク往流の温度をさらに高めることができるという利点がある。例えば、ヒートシンク往流の温度を摂氏９０度を超えるほどに高めることができる。つまり、熱源の価値がその温度に関してさらに向上する。
【００２２】
この高い温度を達成するためには、Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１３３６ｍｚｚ、ブタン、シクロペンタン、フルオロケトン、及びこれらの物質の混合物のいずれか１つ以上を含有した作動流体を利用するヒートポンプが特に好ましい。
【００２３】
本発明の一態様において、ヒートポンプは、少なくとも１メガワットの電力をもつ。この構成により、産業への適用に十分な大きさのヒートポンプが提供される。特に地域暖房網又は産業プロセスに提供された熱の復流に対して当該電力は有利である。
【００２４】
本発明の利点、特徴、及び詳細について、以下に説明する実施形態と図面からさらに明らかにする。図面は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術のヒートポンプによる熱源の利用形態を示す。
【図２】本発明の実施形態による装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図中、同類又は同じ要素、あるいは同じ機能の要素にはできるだけ同じ参照符号を付してある。
【００２７】
図１は、従来技術のヒートポンプ４による、地熱源として構成された熱源６の利用形態を示す。この地熱源６の利用形態は、ヒートシンク２を含む既知の装置１０により達成される。
【００２８】
ヒートポンプ４は、少なくとも、１つの凝縮器４１と１つの蒸発器４２とを備える。地熱源６は、蒸発器４２を介する熱源往流６１と熱源復流６２とをもつ。その熱源復流６２の温度は、ヒートポンプ４の蒸発器４２との熱的結合で、熱源往流６１の温度に対して低下している。すなわち、地熱源６からの熱がヒートポンプ４の蒸発器４２へ伝達される。この熱は、蒸発器４２内の作動流体の少なくとも部分的な蒸発によって、ヒートポンプ４に伝達される。
【００２９】
ヒートシンク２は、ヒートポンプ４の凝縮器４１との熱的結合を介するヒートシンク往流２１とヒートシンク復流２２とをもつ。そのヒートシンク復流２２の温度は、ヒートシンク往流２１の温度に対して低く、言い換えると、ヒートシンク往流２１の温度は、ヒートシンク復流２２の温度に対して高い。すなわち、熱源往流６１の温度がヒートポンプ４により引き上げられ、そして凝縮器４１内の作動流体の凝縮によって、ヒートシンク往流２１を通しヒートシンク２へ放出される。
【００３０】
この既知の装置１０の欠点は、熱源復流６２の温度をもう一段低下させること、つまり冷却することができないということである。換言すれば、地熱源６の利用効率は、地熱源６からヒートポンプ４への熱伝達によって制限されている。
【００３１】
図２に、本発明の実施形態に係る装置１が示されている。
【００３２】
装置１は、凝縮器４１及び蒸発器４２を有するヒートポンプ４を備える。さらに装置１は、熱源６と、ヒートシンク２、特に好ましくは地域暖房網の一部をなす熱消費体と、熱交換器１２とを備える。
【００３３】
ヒートポンプ４は、圧縮機と膨張弁とを備える。ヒートポンプ４の作動流体は、凝縮器４１において少なくとも部分的に凝縮し、圧縮機で少なくとも部分的に圧縮され、蒸発器４２において少なくとも部分的に蒸発し、そして、膨張弁で少なくとも部分的に膨張する。この作動流体としては、Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１３３６ｍｚｚ、ブタン、シクロペンタン、フルオロケトン、及びこれらの物質の混合物のいずれか１つ以上を使用するのが好ましい。
【００３４】
熱源６は、熱交換器１２を介する熱源往流６１と熱源復流６２とをもつ。図示の実施形態において、熱源往流６１の温度は一例として摂氏９５度であり、熱源復流６２の温度は、熱交換器１２と蒸発器４２との間で、一例として摂氏５５度となっている。さらに熱源復流６２の温度は、該熱源復流６２と蒸発器４２との熱的結合の後、約摂氏３５度となっており、蒸発器４２、つまりヒートポンプ４によって熱源復流６２の温度がもう一段階冷却されている。
【００３５】
ヒートシンク２は、熱源６とヒートシンク２とを熱的に結合させる熱交換器１２を介するヒートシンク往流２１とヒートシンク復流２２とをもつ。
【００３６】
ヒートポンプ４の凝縮器４１は、ヒートシンク往流２１と熱的に結合する。すなわち、ヒートポンプ４の作動流体が該熱的結合によって少なくとも部分的に凝縮し、そしてこのときに放出される熱がヒートシンク往流２１へ伝達される。この熱的結合は、熱交換器１２の直後で行われる。
【００３７】
ヒートポンプ４の蒸発器４２は、熱源復流６２と熱的に結合する。すなわち、蒸発器４２によって熱源復流６２から熱が吸収され、そしてヒートポンプ４及び凝縮器４１を介してヒートシンク往流２１へ伝達される。これによって熱源復流６２がもう一段冷却されるという利点を得られる結果、熱交換器１２を介した熱的結合を経て、熱源６の利用効率を向上させることができる。
【００３８】
例えば、熱源往流６１の温度は約摂氏９５度（℃）である。熱交換器１２を介したヒートシンク２と熱源６との熱的結合の直後、熱源復流６２はほぼ摂氏５５度の温度になる。ヒートシンク往流２１は、熱交換器１２と凝縮器４１との間で、すなわち熱交換器１２の直後で且つヒートポンプ４の凝縮器４１の直前で、ほぼ摂氏９０度の温度になる。ヒートポンプ４による吸収熱があるので、ヒートシンク往流２１は、ヒートポンプ４の凝縮器４１との熱的結合の直後、摂氏９０度より高い温度になる。
【００３９】
ヒートシンク２は好ましくは熱消費体として構成され、ヒートシンク往流２１によりこのヒートシンクに供給され得る熱の少なくとも一部を、消費又は使用する。その結果、ヒートシンク復流２２は、ほぼ摂氏５０度の低い温度になる。
【００４０】
ヒートポンプ４の蒸発器４２における温度はほぼ摂氏５５度であり、ヒートポンプ４の蒸発器４２により熱源復流６２からさらに熱が吸収される。その結果、熱源復流６２の温度は、ヒートポンプ４の蒸発器４２との熱的結合の後、ほぼ摂氏３５度となる。続いてこの熱源復流６２は、ほぼ摂氏３５度の温度で復流される。したがって、この熱源復流６２は、再び熱源６から熱を取り込み、そしてほぼ摂氏９５度の温度をもつ熱源往流６１となる。
【００４１】
本発明の実施形態に係る装置１を用いることにより、エンタルピーに関して熱源６の利用効率が改善される。これは、ヒートポンプ４の蒸発器４２との熱的結合という本発明の特徴によって熱源復流６２がさらに冷却されることに起因する。好ましくは、熱源６は地熱源として構成されている。
【００４２】
本発明の詳細について好適な実施形態を参照して詳しく説明したが、本発明は、開示した例に限定されないのはもちろんで、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者であれば他の変形例を導出することができる。
【図１】
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【図２】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月16日(2020.4.16)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
熱源（６）の熱利用率を高める装置であって、
ヒートシンク（２）と、凝縮器（４１）及び蒸発器（４２）を有するヒートポンプ（４）と、熱源（６）とを備え、
前記ヒートシンク（２）は、熱交換器（１２）を介した前記熱源（６）との熱的結合に関与するヒートシンク往流（２１）及びヒートシンク復流（２２）をもち、
前記熱源（６）は、前記熱交換器（１２）を介した前記ヒートシンク（２）との熱的結合に関与する熱源往流（６１）及び熱源復流（６２）をもち、
前記ヒートポンプ（４）の凝縮器（４１）は、前記ヒートシンク（２）への熱放出のために、前記ヒートシンク往流（２１）と熱的に結合され、
前記熱源往流（６１）に対して、前記ヒートポンプ（４）の蒸発器（４２）が前記熱交換器（１２）の下流で前記熱源復流（６２）中に配置されて熱吸収のために前記熱源復流（６２）と熱的に結合されている、装置。
【国際調査報告】
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