JP2002257430A - ヒートポンプを利用した熱サイクル機関 - Google Patents
ヒートポンプを利用した熱サイクル機関Info
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- Y02B30/62—Absorption based systems
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- Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 低熱源の温度を下げることにより熱効率を向
上することができるヒートポンプを利用した熱機関を提
供する。 【解決手段】 作動流体によって仕事を行う熱機関と、
この熱機関の上流側に設置され、高熱源を通じて作動流
体を加熱して蒸発させる作動流体蒸発手段と、この熱機
関の下流側に設置され、低熱源を通じて作動流体を冷却
して凝縮させる作動流体凝縮手段と、前記熱機関、前記
作動流体蒸発手段及び前記作動流体凝縮手段との間で作
動流体を循環させる循環手段とを有する熱サイクル機関
において、前記低熱源は、吸着剤を備えた吸脱着式ヒー
トポンプを構成し、吸着剤による吸着媒体の吸脱着作用
に伴って生じる潜熱を利用して、常温以下の低温を提供
することを特徴とする熱サイクル機関。
上することができるヒートポンプを利用した熱機関を提
供する。 【解決手段】 作動流体によって仕事を行う熱機関と、
この熱機関の上流側に設置され、高熱源を通じて作動流
体を加熱して蒸発させる作動流体蒸発手段と、この熱機
関の下流側に設置され、低熱源を通じて作動流体を冷却
して凝縮させる作動流体凝縮手段と、前記熱機関、前記
作動流体蒸発手段及び前記作動流体凝縮手段との間で作
動流体を循環させる循環手段とを有する熱サイクル機関
において、前記低熱源は、吸着剤を備えた吸脱着式ヒー
トポンプを構成し、吸着剤による吸着媒体の吸脱着作用
に伴って生じる潜熱を利用して、常温以下の低温を提供
することを特徴とする熱サイクル機関。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートポンプを利
用した熱サイクル機関に関し、より詳細には、低熱源の
温度を低減することが可能なヒートポンプを利用した熱
サイクル機関に関する。
用した熱サイクル機関に関し、より詳細には、低熱源の
温度を低減することが可能なヒートポンプを利用した熱
サイクル機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、熱機関の熱効率ηをカルノー効
率で示すと、以下のようになる。η＝１−T２/T１ここ
に、T1及びT2はそれぞれ、高温及び低温側熱源温度であ
る。
率で示すと、以下のようになる。η＝１−T２/T１ここ
に、T1及びT2はそれぞれ、高温及び低温側熱源温度であ
る。
【０００３】上式から、高熱源温度T1が一定の場合、低
熱源温度T2が低いほど、熱効率ηは増大する。
熱源温度T2が低いほど、熱効率ηは増大する。
【０００４】しかしながら、低熱源は通常、常温の大
気、工業用水或いは海水などを対象としているため、常
温とさほど変わらない。天然の氷、深海水、或いは人工
の液体天然ガスを利用すれば、常温以下の低温を提供す
ることができるが、入手が困難で、高価である。
気、工業用水或いは海水などを対象としているため、常
温とさほど変わらない。天然の氷、深海水、或いは人工
の液体天然ガスを利用すれば、常温以下の低温を提供す
ることができるが、入手が困難で、高価である。
【０００５】また特に高熱源として工場排熱などの比較
的低温の熱源を利用する場合には、低熱源と高熱源との
温度差を十分に確保することが困難で、そのために高い
熱効率を得ることができなかった。
的低温の熱源を利用する場合には、低熱源と高熱源との
温度差を十分に確保することが困難で、そのために高い
熱効率を得ることができなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、上記課題に鑑み、低熱源の温度を下げることにより
熱効率を向上することができるヒートポンプを利用した
熱機関を提供することにある。
は、上記課題に鑑み、低熱源の温度を下げることにより
熱効率を向上することができるヒートポンプを利用した
熱機関を提供することにある。
【０００７】本発明の別の目的は、低熱源と高熱源との
間の温度差を広げることにより熱効率を向上することが
できるヒートポンプを利用した熱機関を提供することに
ある。
間の温度差を広げることにより熱効率を向上することが
できるヒートポンプを利用した熱機関を提供することに
ある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、
本発明のヒートポンプを利用した熱機関は、作動流体に
よって仕事を行う熱機関と、この熱機関の上流側に設置
され、高熱源を通じて作動流体を加熱して蒸発させる作
動流体蒸発手段と、この熱機関の下流側に設置され、低
熱源を通じて作動流体を冷却して凝縮させる作動流体凝
縮手段と、前記熱機関、前記作動流体蒸発手段及び前記
作動流体凝縮手段との間で作動流体を循環させる循環手
段とを有する熱サイクル機関において、前記低熱源は、
吸着剤を備えた吸脱着式ヒートポンプを有し、この吸着
剤による吸着媒体の吸脱着作用に伴って生じる潜熱を利
用して、常温以下の低温を提供する構成としている。
本発明のヒートポンプを利用した熱機関は、作動流体に
よって仕事を行う熱機関と、この熱機関の上流側に設置
され、高熱源を通じて作動流体を加熱して蒸発させる作
動流体蒸発手段と、この熱機関の下流側に設置され、低
熱源を通じて作動流体を冷却して凝縮させる作動流体凝
縮手段と、前記熱機関、前記作動流体蒸発手段及び前記
作動流体凝縮手段との間で作動流体を循環させる循環手
段とを有する熱サイクル機関において、前記低熱源は、
吸着剤を備えた吸脱着式ヒートポンプを有し、この吸着
剤による吸着媒体の吸脱着作用に伴って生じる潜熱を利
用して、常温以下の低温を提供する構成としている。
【０００９】また、作動流体は、アンモニアー水の２成
分媒体からなり、前記作動流体凝縮手段は、常温熱源に
よる第1凝縮手段と、この第1凝縮手段の下流に設置され
た、常温より低い低熱源による第2凝縮手段とを有し、
前記第1凝縮手段の下流から導かれた凝縮アンモニア水
と、前記熱機関からの作動流体との間で熱交換を行う、
前記熱機関と前記第1凝縮手段との間に設置された熱交
換器と、この熱交換器において熱交換することにより加
熱された凝縮アンモニア水が導かれる気液分離フラッシ
ュタンクとをさらに有し、この気液分離タンク内の気相
側は、前記第2凝縮手段に連通し、一方この気液分離タ
ンク内の液相側は、前記第1凝縮手段と前記熱交換器の
間に連通するのでもよい。さらに、前記吸着媒体は、水
蒸気であり、前記ヒートポンプは、前記水蒸気吸着剤を
充填した吸脱着ベッドを有し、この吸脱着ベッドは、水
蒸気を吸着させるための吸着用低熱源と、水蒸気を脱着
させるための脱着用高熱源とを有し、さらに、この吸脱
着ベッドの下流に、前記脱着用高熱源によって脱着した
水蒸気を凝縮するための水蒸気凝縮手段と、この水蒸気
凝縮手段の下流に、前記作動流体凝縮手段に熱的に連通
した、水蒸気から凝縮した水分を蒸発させるための水蒸
発器とを有し、この水蒸発器は、前記吸着剤ベッドにお
ける前記吸着用低熱源による吸着作用により、前記水蒸
発器における蒸発を促進するように、前記吸脱着ベッド
と流通するのが好ましい。
分媒体からなり、前記作動流体凝縮手段は、常温熱源に
よる第1凝縮手段と、この第1凝縮手段の下流に設置され
た、常温より低い低熱源による第2凝縮手段とを有し、
前記第1凝縮手段の下流から導かれた凝縮アンモニア水
と、前記熱機関からの作動流体との間で熱交換を行う、
前記熱機関と前記第1凝縮手段との間に設置された熱交
換器と、この熱交換器において熱交換することにより加
熱された凝縮アンモニア水が導かれる気液分離フラッシ
ュタンクとをさらに有し、この気液分離タンク内の気相
側は、前記第2凝縮手段に連通し、一方この気液分離タ
ンク内の液相側は、前記第1凝縮手段と前記熱交換器の
間に連通するのでもよい。さらに、前記吸着媒体は、水
蒸気であり、前記ヒートポンプは、前記水蒸気吸着剤を
充填した吸脱着ベッドを有し、この吸脱着ベッドは、水
蒸気を吸着させるための吸着用低熱源と、水蒸気を脱着
させるための脱着用高熱源とを有し、さらに、この吸脱
着ベッドの下流に、前記脱着用高熱源によって脱着した
水蒸気を凝縮するための水蒸気凝縮手段と、この水蒸気
凝縮手段の下流に、前記作動流体凝縮手段に熱的に連通
した、水蒸気から凝縮した水分を蒸発させるための水蒸
発器とを有し、この水蒸発器は、前記吸着剤ベッドにお
ける前記吸着用低熱源による吸着作用により、前記水蒸
発器における蒸発を促進するように、前記吸脱着ベッド
と流通するのが好ましい。
【００１０】さらにまた、前記水蒸気吸着剤は、ゼオラ
イトからなるのがよい。
イトからなるのがよい。
【００１１】加えて、前記吸着剤ベッドは、並列に配置
された少なくとも2組のベッドからなり、一方が水蒸気
の吸着作用を行っている間、他方が水蒸気の脱着作用を
行うようにしてもよい。
された少なくとも2組のベッドからなり、一方が水蒸気
の吸着作用を行っている間、他方が水蒸気の脱着作用を
行うようにしてもよい。
【００１２】また、前記水蒸発器と前記作動流体凝縮器
との間で熱交換を行うための熱交換用循環配管と、この
循環配管内の冷媒を循環させる循環ポンプと、を有する
のがよい。
との間で熱交換を行うための熱交換用循環配管と、この
循環配管内の冷媒を循環させる循環ポンプと、を有する
のがよい。
【００１３】
【作用】本発明のヒートポンプを利用した熱機関によれ
ば、吸着剤を用いることにより、吸着媒体の吸着プロセ
スと、吸着剤から吸着した吸着媒体を脱着させる脱着プ
ロセスとを行うことにより、吸着プロセスを通じて脱着
プロセスによって凝縮した液相吸着媒体の蒸発を促進さ
せ、それにより液相から気相への相変化に伴う潜熱の形
態で熱を奪うことを通じて、ヒートポンプの原理によ
り、少なくとも常温より低い低温熱源を実現することが
できる。
ば、吸着剤を用いることにより、吸着媒体の吸着プロセ
スと、吸着剤から吸着した吸着媒体を脱着させる脱着プ
ロセスとを行うことにより、吸着プロセスを通じて脱着
プロセスによって凝縮した液相吸着媒体の蒸発を促進さ
せ、それにより液相から気相への相変化に伴う潜熱の形
態で熱を奪うことを通じて、ヒートポンプの原理によ
り、少なくとも常温より低い低温熱源を実現することが
できる。
【００１４】このとき、循環手段によって、作動流体凝
縮手段、作動流体蒸発手段及び熱機関の間で作動流体を
循環させることにより、熱機関によって作動流体に仕事
を行わせ、作動流体凝縮手段によって、仕事を行った作
動流体をこのような常温より低い低熱源を通じて冷却し
て凝縮させ、さらに作動流体蒸発手段によって、凝縮し
た作動流体を工場の廃熱等を利用した高熱源を通じて加
熱して蒸発させ、再び熱機関によって仕事を行わせるよ
うに熱サイクルを実現すれば、熱機関において作動流体
蒸発手段によって蒸発した作動流体が仕事をする際、低
熱源自体の温度を下げることにより及び／又は高熱源と
低熱源との間の温度差を確保することにより、熱効率を
向上した熱機関を提供することが可能となる。
縮手段、作動流体蒸発手段及び熱機関の間で作動流体を
循環させることにより、熱機関によって作動流体に仕事
を行わせ、作動流体凝縮手段によって、仕事を行った作
動流体をこのような常温より低い低熱源を通じて冷却し
て凝縮させ、さらに作動流体蒸発手段によって、凝縮し
た作動流体を工場の廃熱等を利用した高熱源を通じて加
熱して蒸発させ、再び熱機関によって仕事を行わせるよ
うに熱サイクルを実現すれば、熱機関において作動流体
蒸発手段によって蒸発した作動流体が仕事をする際、低
熱源自体の温度を下げることにより及び／又は高熱源と
低熱源との間の温度差を確保することにより、熱効率を
向上した熱機関を提供することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図１乃至
図４を参照しながら、以下に詳細に説明する。
図４を参照しながら、以下に詳細に説明する。
【００１６】図１は、本発明の第1の実施の形態に係わ
る熱サイクル機関のシステム図である。図２は、本発明
の第１の実施の形態に係わる熱サイクル機関のTS線図で
ある。
る熱サイクル機関のシステム図である。図２は、本発明
の第１の実施の形態に係わる熱サイクル機関のTS線図で
ある。
【００１７】この熱機関サイクル機関10は、通常の熱サ
イクル部12と、この熱サイクル部12の低温熱源に低温を
供給するためのヒートポンプ部14と、この熱サイクル部
12とヒートポンプ部14との間で熱交換を行うための熱交
換部16とからなる。
イクル部12と、この熱サイクル部12の低温熱源に低温を
供給するためのヒートポンプ部14と、この熱サイクル部
12とヒートポンプ部14との間で熱交換を行うための熱交
換部16とからなる。
【００１８】熱サイクル部12は、作動流体をフロンとす
る周知のランキンサイクルからなり、作動流体によって
仕事を行う熱機関18と、この熱機関18の上流側に設置さ
れる高熱源部20と、この熱機関18の下流側に設置される
低熱源部21とを有し、これらの間で作動流体を循環させ
るための循環手段22とを有する。
る周知のランキンサイクルからなり、作動流体によって
仕事を行う熱機関18と、この熱機関18の上流側に設置さ
れる高熱源部20と、この熱機関18の下流側に設置される
低熱源部21とを有し、これらの間で作動流体を循環させ
るための循環手段22とを有する。
【００１９】熱機関18としては、例えばフロンガスによ
ってタービン翼（図示せず）を回転させることにより、
熱エネルギーを運動エネルギーを介して電気エネルギー
に変換するタービンを採用している。
ってタービン翼（図示せず）を回転させることにより、
熱エネルギーを運動エネルギーを介して電気エネルギー
に変換するタービンを採用している。
【００２０】高熱源部20は、フロン蒸発器24と、このフ
ロン蒸発器24の上流側に設置された中間熱交換器26とか
らなる。この中間熱交換器26は、常温T0を有する外部熱
源26ａによって作動流体フロンを加熱し、さらにフロン
蒸発器24は、高温T1を有する外部熱源24aによって作動
流体フロンをさらに加熱して蒸発させるようにしてあ
り、循環手段22を構成する加圧ポンプを通じてフロン気
体が熱機関18に流入するようにしている。
ロン蒸発器24の上流側に設置された中間熱交換器26とか
らなる。この中間熱交換器26は、常温T0を有する外部熱
源26ａによって作動流体フロンを加熱し、さらにフロン
蒸発器24は、高温T1を有する外部熱源24aによって作動
流体フロンをさらに加熱して蒸発させるようにしてあ
り、循環手段22を構成する加圧ポンプを通じてフロン気
体が熱機関18に流入するようにしている。
【００２１】低熱源部21は、フロン凝縮器34とフロン凝
縮器34の下流に設置された低温フロン凝縮器36とから構
成されている。フロン凝縮器34は、低温T2を有する外部
熱源34aによってフロン気体を凝縮し、低温フロン凝縮
器36は、後に説明するヒートポンプ部14を介して常温よ
り低い低温が供給されることにより、さらにフロンを凝
縮して、凝縮器36内で気相から液相への相変化を促進す
るようにしている。
縮器34の下流に設置された低温フロン凝縮器36とから構
成されている。フロン凝縮器34は、低温T2を有する外部
熱源34aによってフロン気体を凝縮し、低温フロン凝縮
器36は、後に説明するヒートポンプ部14を介して常温よ
り低い低温が供給されることにより、さらにフロンを凝
縮して、凝縮器36内で気相から液相への相変化を促進す
るようにしている。
【００２２】このように、 図１で矢印により示すよう
に、加圧ポンプを通じて作動流体であるフロンを熱機関
18、高熱源部20及び低熱源部21との間で循環させること
により、熱サイクルを形成している。
に、加圧ポンプを通じて作動流体であるフロンを熱機関
18、高熱源部20及び低熱源部21との間で循環させること
により、熱サイクルを形成している。
【００２３】一方、ヒートポンプ部14は、この低温フロ
ン凝縮器36と熱的に流通した水蒸発器40と、この水蒸発
器40の下流側に設置された、吸着剤ベッド42と、この吸
着剤ベッド42の下流に設置された水凝縮器44及び水タン
ク46とから構成されている。
ン凝縮器36と熱的に流通した水蒸発器40と、この水蒸発
器40の下流側に設置された、吸着剤ベッド42と、この吸
着剤ベッド42の下流に設置された水凝縮器44及び水タン
ク46とから構成されている。
【００２４】水蒸発器40は、内部に水Wを貯留できる容
器であり、内部の水Wから蒸発した水蒸気Sが、後に説明
する吸着剤ベッド42と流通するように、吸着剤ベッド42
に通じる蒸発管48が容器40の上部に設けてある。
器であり、内部の水Wから蒸発した水蒸気Sが、後に説明
する吸着剤ベッド42と流通するように、吸着剤ベッド42
に通じる蒸発管48が容器40の上部に設けてある。
【００２５】吸着剤ベッド42は、図１に示すように、２
組並列に設けられている。吸着剤ベッド42A，Bには、上
流側及び下流側にそれぞれ、入り口弁50A，B及び出口弁
52A，Bが設けられ、ベッド42A，Bの内部には、水蒸気を
吸脱着する吸着剤（図示せず）が充填されている。この
ような吸着剤としては、たとえばゼオライト、シリカゲ
ル或いはアルミナ等がある。吸着温度、脱着温度に応じ
て、どの吸着剤を採用するかを選択すればよい。各吸着
剤ベッド42A，Bには、常温T0の外部低熱源54A，Bと高温
T1´の外部高熱源56A，Bとが設けられ、ベッド42A，B内
で水蒸気を吸着する際には、外部低熱源54A，Bによって
ベッド42A，B内を冷却し、一方ベッド42A，B内で吸着し
た水蒸気を脱着する際には、高熱源56A，Bによってベッ
ド42A，B内を加熱するように切り替え運転するようにし
ている。特に、高温T1´について、例えば工場の排熱等
350℃以下の温度を利用することができる。
組並列に設けられている。吸着剤ベッド42A，Bには、上
流側及び下流側にそれぞれ、入り口弁50A，B及び出口弁
52A，Bが設けられ、ベッド42A，Bの内部には、水蒸気を
吸脱着する吸着剤（図示せず）が充填されている。この
ような吸着剤としては、たとえばゼオライト、シリカゲ
ル或いはアルミナ等がある。吸着温度、脱着温度に応じ
て、どの吸着剤を採用するかを選択すればよい。各吸着
剤ベッド42A，Bには、常温T0の外部低熱源54A，Bと高温
T1´の外部高熱源56A，Bとが設けられ、ベッド42A，B内
で水蒸気を吸着する際には、外部低熱源54A，Bによって
ベッド42A，B内を冷却し、一方ベッド42A，B内で吸着し
た水蒸気を脱着する際には、高熱源56A，Bによってベッ
ド42A，B内を加熱するように切り替え運転するようにし
ている。特に、高温T1´について、例えば工場の排熱等
350℃以下の温度を利用することができる。
【００２６】水凝縮器44は、吸着剤ベッド42A，Bの下流
に、出口弁52A，Bを介して接続され、常温T0の外部熱源
44ａによって、吸着剤ベッド42内で脱着する水蒸気を凝
縮して、凝縮した水を一旦水タンク46に貯留して、水蒸
発器40に流入させるようにしている。
に、出口弁52A，Bを介して接続され、常温T0の外部熱源
44ａによって、吸着剤ベッド42内で脱着する水蒸気を凝
縮して、凝縮した水を一旦水タンク46に貯留して、水蒸
発器40に流入させるようにしている。
【００２７】次に、熱交換部16は、水蒸発器40と低温フ
ロン凝縮器36との間を循環する熱交換用管60と、この熱
交換用管60内で冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ62とを
有する。冷媒としては、例えばシリコンオイルがよい
が、この熱交換部16で実現する低温で凝固しない冷媒で
ある限り、他の冷媒でもよい。これにより、後に説明す
るように、水蒸発器40内において蒸発潜熱によって、熱
交換管60内の冷媒は冷却され、低温フロン凝縮器36にお
いて、低熱源として機能するようにしている。実験によ
って、吸着剤としてゼオライトを使用する場合に、−18
℃までの低温を実現することができることを確認した。
ロン凝縮器36との間を循環する熱交換用管60と、この熱
交換用管60内で冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ62とを
有する。冷媒としては、例えばシリコンオイルがよい
が、この熱交換部16で実現する低温で凝固しない冷媒で
ある限り、他の冷媒でもよい。これにより、後に説明す
るように、水蒸発器40内において蒸発潜熱によって、熱
交換管60内の冷媒は冷却され、低温フロン凝縮器36にお
いて、低熱源として機能するようにしている。実験によ
って、吸着剤としてゼオライトを使用する場合に、−18
℃までの低温を実現することができることを確認した。
【００２８】熱サイクル部12のフロン凝縮器34、低温フ
ロン凝縮器36及びヒートポンプ部14の水蒸発器40及び蒸
発管48の一部は、その外側が断熱カバー51で覆われて、
低温を保持できるようにしている。
ロン凝縮器36及びヒートポンプ部14の水蒸発器40及び蒸
発管48の一部は、その外側が断熱カバー51で覆われて、
低温を保持できるようにしている。
【００２９】以上の構成を有する熱機関10について、そ
の作用を以下に説明する。まず、熱サイクル部12におい
て、熱機関18で仕事を行った作動流体フロンは、その下
流側の低熱源21に至り、ここで、フロンは冷却されて凝
縮される。
の作用を以下に説明する。まず、熱サイクル部12におい
て、熱機関18で仕事を行った作動流体フロンは、その下
流側の低熱源21に至り、ここで、フロンは冷却されて凝
縮される。
【００３０】次に、この低熱源21において、いかに低温
が供給されるかについて、ヒートポンプ部14の作用に注
目して、説明する。まず、吸着剤ベッド42A，Bのうち一
方の吸着剤42Aの出口弁52Aを開くとともに、入り口弁50
Aを閉じて、高熱源56Aによって吸着剤に吸着された水蒸
気を脱着させる。次いで、脱着した水蒸気は、水凝縮器
44内で常温T0によって冷却され、凝縮し、水タンク46を
経て水蒸発器40に至る。
が供給されるかについて、ヒートポンプ部14の作用に注
目して、説明する。まず、吸着剤ベッド42A，Bのうち一
方の吸着剤42Aの出口弁52Aを開くとともに、入り口弁50
Aを閉じて、高熱源56Aによって吸着剤に吸着された水蒸
気を脱着させる。次いで、脱着した水蒸気は、水凝縮器
44内で常温T0によって冷却され、凝縮し、水タンク46を
経て水蒸発器40に至る。
【００３１】次いで、他方の吸着剤ベッド42Bの出口弁5
2Bを閉じるとともに、入り口弁50Bを開けることによっ
て、低熱源54Bによって水蒸気を吸着することにより、
蒸発管48を介して、水蒸発器40内に貯留する水Wの蒸発
を促進させる。その際、水Wが水蒸気Sに相変化するのに
必要な蒸発潜熱が奪われ、それにより水蒸発器40内で低
温が実現される。
2Bを閉じるとともに、入り口弁50Bを開けることによっ
て、低熱源54Bによって水蒸気を吸着することにより、
蒸発管48を介して、水蒸発器40内に貯留する水Wの蒸発
を促進させる。その際、水Wが水蒸気Sに相変化するのに
必要な蒸発潜熱が奪われ、それにより水蒸発器40内で低
温が実現される。
【００３２】次いで、熱交換部16において、この低温に
よって、水蒸発器40内で、熱交換用管60内の冷媒と熱交
換が行われて、冷媒が冷却され、この冷却された冷媒
が、低温フロン凝縮器36において、作動流体との間で熱
交換を行う。
よって、水蒸発器40内で、熱交換用管60内の冷媒と熱交
換が行われて、冷媒が冷却され、この冷却された冷媒
が、低温フロン凝縮器36において、作動流体との間で熱
交換を行う。
【００３３】この水蒸発器40内での気化は、吸着剤ベッ
ド42内の蒸気圧が、飽和蒸気圧に達するまで行われる。
このような吸着剤ベッド42における吸着プロセス及び脱
着プロセスの繰り返しにより、水蒸発器40内における蒸
発潜熱の形態で、低温を連続的に実現することが可能と
なる。
ド42内の蒸気圧が、飽和蒸気圧に達するまで行われる。
このような吸着剤ベッド42における吸着プロセス及び脱
着プロセスの繰り返しにより、水蒸発器40内における蒸
発潜熱の形態で、低温を連続的に実現することが可能と
なる。
【００３４】この場合、前述のように、一方の吸着剤ベ
ッド42で吸着プロセスを行っているときには、他方の吸
着剤ベッド42では脱着プロセスを行うことにより、継続
的に低温を実現することが可能となる。
ッド42で吸着プロセスを行っているときには、他方の吸
着剤ベッド42では脱着プロセスを行うことにより、継続
的に低温を実現することが可能となる。
【００３５】熱サイクルに戻れば、このような低温によ
って、熱サイクル機関部12側の作動流体フロンは、さら
に凝縮されて、低温フロン凝縮器36内に貯留し、凝縮器
36内の液体フロンは、加圧ポンプ32によって中間加熱器
26に液送され、ここで常温T0の冷媒によって加熱された
後、高温T1のフロン蒸発器24に送られ、ここで液体フロ
ンは、加熱蒸発して、気体に相変化する。次いで、気体
フロンは、熱機関18に送られて、仕事を行い、作動流体
は、フロン凝縮器34に送られる。
って、熱サイクル機関部12側の作動流体フロンは、さら
に凝縮されて、低温フロン凝縮器36内に貯留し、凝縮器
36内の液体フロンは、加圧ポンプ32によって中間加熱器
26に液送され、ここで常温T0の冷媒によって加熱された
後、高温T1のフロン蒸発器24に送られ、ここで液体フロ
ンは、加熱蒸発して、気体に相変化する。次いで、気体
フロンは、熱機関18に送られて、仕事を行い、作動流体
は、フロン凝縮器34に送られる。
【００３６】以上のサイクルを繰り返すことによって、
高熱源部20からの熱によって熱機関18において仕事を行
い、低熱源21に熱を捨てる熱サイクルが実現する。
高熱源部20からの熱によって熱機関18において仕事を行
い、低熱源21に熱を捨てる熱サイクルが実現する。
【００３７】図2は、以上の作用をＴＳ線図によって示
したものである。
したものである。
【００３８】このＴＳ線図は、高熱源の温度T1を一定の
もとで、常温TOを低熱源として用いた場合（一点鎖線）
と、常温より低温のT2を低熱源として用いた場合（実
線）との両方のサイクルを図示している。サイクルで囲
まれた面積で比較すると、明らかに後者の方が大きくな
り、その結果熱出力が増加するとともに、熱効率が上昇
していることがわかる。
もとで、常温TOを低熱源として用いた場合（一点鎖線）
と、常温より低温のT2を低熱源として用いた場合（実
線）との両方のサイクルを図示している。サイクルで囲
まれた面積で比較すると、明らかに後者の方が大きくな
り、その結果熱出力が増加するとともに、熱効率が上昇
していることがわかる。
【００３９】以下に、本発明の第2の実施の形態を説明
する。以下の実施の形態では、同様な部品には、同様な
参照番号を付することによりその説明は省略し、特徴部
分について詳しく説明する。図３は、本発明の第２の実
施の形態に係わる熱サイクル機関のシステム図である。
図４は、本発明の第２の実施の形態に係わる熱サイクル
機関のTS線図である。
する。以下の実施の形態では、同様な部品には、同様な
参照番号を付することによりその説明は省略し、特徴部
分について詳しく説明する。図３は、本発明の第２の実
施の形態に係わる熱サイクル機関のシステム図である。
図４は、本発明の第２の実施の形態に係わる熱サイクル
機関のTS線図である。
【００４０】本実施の形態の特徴部分は、作動流体を2
相流体、特にアンモニアー水の２成分媒体として、ロー
レンツサイクル熱機関を構成するとともに、それに伴い
低熱源部を改良した点にある。より具体的には、図３に
示すように、作動流体凝縮手段は、常温熱源による第1
凝縮手段70と、この第1凝縮手段70の下流に設置され
た、常温より低い低熱源による第2凝縮手段72とを有す
る。
相流体、特にアンモニアー水の２成分媒体として、ロー
レンツサイクル熱機関を構成するとともに、それに伴い
低熱源部を改良した点にある。より具体的には、図３に
示すように、作動流体凝縮手段は、常温熱源による第1
凝縮手段70と、この第1凝縮手段70の下流に設置され
た、常温より低い低熱源による第2凝縮手段72とを有す
る。
【００４１】さらに、熱機関18と第1凝縮手段70との間
には、熱交換器74が設置され、この熱交換器74は、第1
凝縮手段70と第2凝縮手段72との間から延び、熱交換器7
4内で熱交換をし、後に説明する気液分離フラッシュタ
ンク76で終端する熱交換チューブ78を有する。このよう
な構成によって、第1凝縮手段70の下流から導かれた凝
縮アンモニア水と、熱機関18からの作動流体との間で熱
交換を行うようにしている。
には、熱交換器74が設置され、この熱交換器74は、第1
凝縮手段70と第2凝縮手段72との間から延び、熱交換器7
4内で熱交換をし、後に説明する気液分離フラッシュタ
ンク76で終端する熱交換チューブ78を有する。このよう
な構成によって、第1凝縮手段70の下流から導かれた凝
縮アンモニア水と、熱機関18からの作動流体との間で熱
交換を行うようにしている。
【００４２】気液分離フラッシュタンク76は、熱交換器
74において熱交換することにより加熱された凝縮アンモ
ニア水が導かれるようにしてあり、気液分離タンク76内
の気相側は、配管73によって第2凝縮手段72に連通し、
一方この気液分離タンク76内の液相側は、配管75によっ
て第1凝縮手段70と熱交換器74の間に連通する。
74において熱交換することにより加熱された凝縮アンモ
ニア水が導かれるようにしてあり、気液分離タンク76内
の気相側は、配管73によって第2凝縮手段72に連通し、
一方この気液分離タンク76内の液相側は、配管75によっ
て第1凝縮手段70と熱交換器74の間に連通する。
【００４３】なお、ヒートポンプ部14及び熱交換部16
は、第1の実施の形態と全く同様である。
は、第1の実施の形態と全く同様である。
【００４４】図4は、以上の構成による熱サイクルをＴ
Ｓ線図によって示したものである。このＴＳ線図は、高
熱源の温度T1を一定のもとで常温TOを低熱源として用い
た場合と、常温より低温のT2を低熱源として用いた場合
とについて示している。具体的には、ランキンサイクル
（a）（一点鎖線）、ローレンツサイクル（b）（実線）
及び本実施の形態のローレンツサイクル＋ヒートポンプ
（c）（点線）の３つの場合を示している。
Ｓ線図によって示したものである。このＴＳ線図は、高
熱源の温度T1を一定のもとで常温TOを低熱源として用い
た場合と、常温より低温のT2を低熱源として用いた場合
とについて示している。具体的には、ランキンサイクル
（a）（一点鎖線）、ローレンツサイクル（b）（実線）
及び本実施の形態のローレンツサイクル＋ヒートポンプ
（c）（点線）の３つの場合を示している。
【００４５】このTS線図によれば、圧力一定のもとで液
相から気相に相変化する場合、蒸発の進行に伴い飽和温
度が変化し、それに伴い加熱冷却工程において温度が変
化する。この場合、図4に示すように、第1の実施の形態
と同様なランキンサイクル（a）と、本実施の形態と同
様なローレンツサイクル（b）及び本実施の形態の場合
（c）とを比較すれば、後者ほど包囲面積が広がり、そ
れにより出力増大及び熱効率の向上が実現可能であるこ
とがわかる。
相から気相に相変化する場合、蒸発の進行に伴い飽和温
度が変化し、それに伴い加熱冷却工程において温度が変
化する。この場合、図4に示すように、第1の実施の形態
と同様なランキンサイクル（a）と、本実施の形態と同
様なローレンツサイクル（b）及び本実施の形態の場合
（c）とを比較すれば、後者ほど包囲面積が広がり、そ
れにより出力増大及び熱効率の向上が実現可能であるこ
とがわかる。
【００４６】本発明の実施の形態を詳細に説明したが、
請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更、
修正が可能である。例えば、本実施の形態では、熱機関
をガスタービンとしたが、これに限定されることなく、
たとえば自動車用エンジン或いは火力発電所等にも適用
可能である。また、水蒸気吸着剤としては、ゼオライト
に限定されることなく、水蒸気吸着剤として、シリカゲ
ル、アルミナ等を用いてもよい。
請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更、
修正が可能である。例えば、本実施の形態では、熱機関
をガスタービンとしたが、これに限定されることなく、
たとえば自動車用エンジン或いは火力発電所等にも適用
可能である。また、水蒸気吸着剤としては、ゼオライト
に限定されることなく、水蒸気吸着剤として、シリカゲ
ル、アルミナ等を用いてもよい。
【００４７】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
ヒートポンプを利用した熱機関によれば、低熱源の温度
を下げることにより、或いは高熱源との温度差を確保す
ることにより、熱効率を向上した熱サイクル機関を提供
することが可能となる。
ヒートポンプを利用した熱機関によれば、低熱源の温度
を下げることにより、或いは高熱源との温度差を確保す
ることにより、熱効率を向上した熱サイクル機関を提供
することが可能となる。
【図１】本発明の第1の実施の形態に係わる熱サイクル
機関のシステム図である。
機関のシステム図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係わる熱サイクル
機関のTS線図である。
機関のTS線図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係わる熱サイクル
機関のシステム図である。
機関のシステム図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる熱サイクル
機関のTS線図である。
機関のTS線図である。
Ａ 作動流体 Ｗ 液相 S 気相 T0 常温 T1 高温 T2 低温 10 熱サイクル機関 12 熱サイクル部 14 ヒートポンプ部 16 熱交換部 18 熱機関 20 高熱源部 21 低熱源部 22 循環手段 24 フロン蒸発器 26 中間熱交換器 34 フロン凝縮器 36 低温フロン凝縮器 40 水蒸発器 42 吸着剤ベッド 44 水蒸発器 46 水タンク 48 蒸発管 50 入り口弁 52 出口弁 54 外部低熱源 56 外部高熱源 60 熱交換用配管 62 冷媒循環ポンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新屋 謙治 広島県広島市西区観音新町４丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 横尾 和俊 広島県広島市西区観音新町４丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 溝田 忠人 山口県宇部市常盤台２丁目16番１号 山口 大学工学部内 Ｆターム(参考） 3L093 NN01 NN04 PP07 PP15 PP19 RR00
Claims (6)
- 【請求項１】 作動流体によって仕事を行う熱機関と、 この熱機関の上流側に設置され、高熱源を通じて作動流
体を加熱して蒸発させる作動流体蒸発手段と、 この熱機関の下流側に設置され、低熱源を通じて作動流
体を冷却して凝縮させる作動流体凝縮手段と、 前記熱機関、前記作動流体蒸発手段及び前記作動流体凝
縮手段との間で作動流体を循環させる循環手段とを有す
る熱サイクル機関において、 前記低熱源は、吸着剤を備えた吸脱着式ヒートポンプを
構成し、吸着剤による吸着媒体の吸脱着作用に伴って生
じる潜熱を利用して、常温以下の低温を提供することを
特徴とする熱サイクル機関。 - 【請求項２】 作動流体は、アンモニアー水の２成分媒
体からなり、 前記作動流体凝縮手段は、常温熱源による第1凝縮手段
と、この第1凝縮手段の下流に設置された、常温より低
い低熱源による第2凝縮手段とを有し、 前記第1凝縮手段の下流から導かれた凝縮アンモニア水
と、前記熱機関からの作動流体との間で熱交換を行う、
前記熱機関と前記第1凝縮手段との間に設置された熱交
換器と、 この熱交換器において熱交換することにより加熱された
凝縮アンモニア水が導かれる気液分離フラッシュタンク
とをさらに有し、 この気液分離タンク内の気相側は、前記第2凝縮手段に
連通し、一方この気液分離タンク内の液相側は、前記第
1凝縮手段と前記熱交換器の間に連通する請求項１に記
載の熱サイクル機関。 - 【請求項３】 前記吸着媒体は、水蒸気であり、 前記ヒートポンプは、前記水蒸気吸着剤を充填した吸脱
着ベッドを有し、この吸脱着ベッドは、水蒸気を吸着さ
せるための吸着用低熱源と、水蒸気を脱着させるための
脱着用高熱源とを有し、 さらに、この吸脱着ベッドの下流に、前記脱着用高熱源
によって脱着した水蒸気を凝縮するための水蒸気凝縮手
段と、 この水蒸気凝縮手段の下流に、前記作動流体凝縮手段に
熱的に連通した、水蒸気から凝縮した水分を蒸発させる
ための水蒸発器とを有し、 この水蒸発器は、前記吸着剤ベッドにおける前記吸着用
低熱源による吸着作用により、前記水蒸発器における蒸
発を促進するように、前記吸脱着ベッドと流通する、こ
とを特徴とする熱サイクル機関。 - 【請求項４】 前記水蒸気吸着剤は、ゼオライトからな
る請求項３に記載の熱サイクル機関。 - 【請求項５】 前記吸着剤ベッドは、並列に配置された
少なくとも2組のベッドからなり、一方が水蒸気の吸着
作用を行っている間、他方が水蒸気の脱着作用を行うよ
うにした請求項３に記載の熱サイクル機関。 - 【請求項６】 前記水蒸発器と前記作動流体凝縮器との
間で熱交換を行うための熱交換用循環配管と、この循環
配管内の冷媒を循環させる循環ポンプと、を有する請求
項３に記載の熱サイクル機関。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001056326A JP2002257430A (ja) | 2001-03-01 | 2001-03-01 | ヒートポンプを利用した熱サイクル機関 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001056326A JP2002257430A (ja) | 2001-03-01 | 2001-03-01 | ヒートポンプを利用した熱サイクル機関 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002257430A true JP2002257430A (ja) | 2002-09-11 |
Family
ID=18916368
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001056326A Pending JP2002257430A (ja) | 2001-03-01 | 2001-03-01 | ヒートポンプを利用した熱サイクル機関 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002257430A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108049924A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-05-18 | 浙江大学 | 一种三角循环和朗肯循环联合的余热回收系统及其方法 |
-
2001
- 2001-03-01 JP JP2001056326A patent/JP2002257430A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108049924A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-05-18 | 浙江大学 | 一种三角循环和朗肯循环联合的余热回收系统及其方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040630 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070301 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070709 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070907 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20080317 |