JP2004020143A

JP2004020143A - 風力利用ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP2004020143A
Application number: JP2002179570A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sawada; 澤田　敬
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】風速の低い条件や、外気温度の低い環境条件でも安定した能力を確保するとともに、エネルギー変換による損失の少ない高効率な風力利用ヒートポンプ装置を実現する。
【解決手段】風車１の回転力を駆動源とする圧縮機１４と、凝縮器５と、膨張器６と、外気を熱源とする蒸発器８とを備え、風車の回転エネルギーで直接圧縮機１４を動作させている。これによって、エネルギー変換損失および消費電力の少ない運転ができ、ヒートポンプの性能を著しく向上することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給湯、冷蔵、暖冷房等の装置に搭載して用いられるヒートポンプ装置に関し、特に風力を駆動源とする風力利用ヒートポンプ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の風力利用ヒートポンプ装置は図９に示す構成となっている。図９において１は風車、２は風車の回転力を駆動源とする発電機、３は電力を駆動源とする圧縮機４と凝縮器５の１次側と膨張弁６と送風機７を備えた蒸発器８とを順に接続したヒートポンプ回路、９は貯湯槽１０内の貯水を凝縮器５の２次側に循環する循環ポンプ、１１は発電機２の出力を蓄える蓄電池１２を備え商用電源１３と発電機２の出力を入力として圧縮機４と循環ポンプ９と送風機７を運転制御する制御器である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、発電機２の電力出力を蓄電池１１または制御器１０を介して圧縮機４を運転することにより蒸発器８で空気から得た熱を凝縮器５から放出して貯湯槽９に蓄える事になり、風車１で得た回転エネルギーを電気エネルギーに変換して再度圧縮機４を動作させるため回転エネルギーに変換するというエネルギー変換を行っているため、エネルギー変換に伴う損失が大きくなるとともに蓄電池１１からの自然放電によるエネルギー損失も発生して全体の効率が低くなるという課題を有していた。また構成が煩雑なことから装置の製造が困難であるなどの課題も有していた。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、エネルギー変換損失および電力消費の少ない高効率の風力利用ヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の風力利用ヒートポンプ装置は、風車の回転軸に直接または間接的に圧縮機の回転軸を接続して運転するものである。これによって、風車で得られた回転エネルギーが、電気エネルギーに変換されることなく直接回転エネルギーとして圧縮機に伝えられるため、エネルギー変換損失が大幅に低減される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、風車と、風車の回転力を駆動源とする圧縮機と、凝縮器と、絞り手段と、外気を熱源とする蒸発器とからヒートポンプ回路を構成することにより、電力を用いずに風車で得た回転エネルギーで直接圧縮機を運転することができるので、エネルギー変換による損失を最少に押さえることができヒートポンプの効率を上げることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の風力利用ヒートポンプ装置を、風車の回転力を駆動源とする圧縮機を複数台直列に設けた構成とすることにより、低風速の環境でも複数台の圧縮機で高圧力を発生することなり、高能力を得ることができる。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、特に、請求項１に記載の風力利用ヒートポンプ装置に、風車の回転力を駆動源とする圧縮機の出口に電力を駆動源とする圧縮機を設けたもので、風車を回転する風が吹かない条件でも、電力駆動の圧縮機で昇圧することができるため、風速の低いときでも安定して装置を運転することができる。
【０００９】
請求項４に記載した発明は、特に、請求項１に記載の風力利用ヒートポンプ装置に、風車の回転力を駆動源とする発電機と、凝縮器の１次側入口に設けた冷媒加熱手段と、凝縮器の２次側出口に設けた温度検知手段と、発電機と商用電力を入力とし温度検知手段の出力値に応じて冷媒加熱手段に電力を供給する制御器とを設けたもので、風速が大きく充分な回転力が得られるときは発電機で発電して制御器を介して冷媒加熱手段で冷媒を加熱して熱エネルギーとして回収するとともに、風速の低い時は熱量の不足分を商用電源を用いて制御器を介して冷媒加熱手段で冷媒を加熱することにより、所定の能力を安定して得ることができる。
【００１０】
請求項５に記載した発明は、特に、請求項４に記載の風力利用ヒートポンプ装置に、蓄熱槽と、蓄熱槽内の蓄熱流体を凝縮器の２次側に送り蓄熱槽に戻す循環ポンプと、凝縮器２次側と蓄熱槽とを接続する接続管より分岐して負荷へおくるための往き管と、往き管に設けた加熱器とを設けたもので、風車が運転している時は商用電源を使用せずに、負荷の実使用時に往き管に設けた加熱器に商用電源を通電させて加熱することにより、蓄熱槽からの放熱を低減して、システム全体の性能を向上させることができる。
【００１１】
請求項６に記載した発明は、特に、請求項１〜５に記載の風力利用ヒートポンプ装置において、風車近傍の自然風があたる位置に強制送風手段を持たない蒸発器を設けたもので、風車の回転するときに同時に、蒸発器に自然風を当てて運転することにより、消費電力を低減することができる。
【００１２】
請求項７に記載した発明は、特に、請求項１〜６に記載の風力利用ヒートポンプ装置において、圧縮機出口と蒸発器入口を開閉弁を介して接続するバイパス配管を設けたもので、外気温度が低く蒸発器に霜がついた時、バイパス配管の開閉弁を開放して、高温の冷媒を蒸発器に導入して霜を溶かすことにより、低温の外気条件でも運転することができる。
【００１３】
請求項８に記載した発明は、特に、請求項１〜７に記載の風力利用ヒートポンプ装置において、蒸発器および蓄熱槽を風車の風流路の壁面の一部として一体に構成したもので、設置現場での組立工事を省くことができるので、施工性の良い装置を実現することができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における風力利用ヒートポンプ装置の構成を示す説明図である。図１において、１４は、風車１の回転力を駆動源とする圧縮機であり、凝縮器５の１次側と、膨張弁６と、送風機７を備えた蒸発器８とからヒートポンプ回路３を構成している。９は蓄熱槽１０の貯水を凝縮器５の２次側に循環する循環ポンプであり、１１は商用電源１３を入力として循環ポンプ９と送風機７を運転制御する制御器である。
【００１６】
以上のように構成された風力利用ヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、風が風車１に当たると風車１が回転軸を介して圧縮機１４を作動させることによりヒートポンプ回路３内の冷媒が加圧されて高温高圧になる。高温高圧の冷媒ガスは、凝縮器５の１次側で凝縮して２次側に熱を放出し液冷媒となり、膨張弁６で膨張することにより低温低圧の冷媒液になり、蒸発器８で送風機７で空気で加熱されることにより蒸発して冷媒ガスとなり、再び圧縮機１４に入り加圧されて循環する。一方、凝縮器５の２次側の熱は循環ポンプ９により循環する貯水の温度を上昇させて貯湯槽１０に蓄えられる。このとき、制御器１１は商用電源１３の電力を送風機７と循環ポンプ９に供給して運転する。
【００１７】
以上のように、本実施例においては、ヒートポンプ回路３の圧縮機１４の駆動源を風車１の回転力としているため、運転のための電力消費を著しく低減でき、高効率なヒートポンプ運転ができる。
【００１８】
（実施例２）
図２は、本発明の実施例２の風力利用ヒートポンプ装置の構成を示す説明図である。図２において、１４は第１風車１の回転力を駆動源とする第１圧縮機で、１５は第２風車１６の回転力を駆動源とする第２圧縮機で、実施例１と異なるところは第１圧縮機１４の出口には第２圧縮機１５の入口が接続されるように圧縮機を直列に接続してもうけた点である。
【００１９】
以上のように構成された風力利用ヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、第１風車１の回転力を駆動する第１圧縮機１４で加圧された冷媒ガスは第２風車１６の回転でを駆動する第２圧縮機１５でさらに一段高く加圧される。
【００２０】
以上のように、本実施例においては、２台の圧縮機を直列に接続しているため風速の低い状況でも冷媒を高圧化でき幅広い外気環境条件で装置を運転することができる。
【００２１】
（実施例３）
図３は、本発明の実施例３の風力利用ヒートポンプ装置の構成を示す説明図である。図３において、１５は電動機１７の回転力を駆動源とする第２圧縮機であり、電動機１７は制御器１１を介して商用電源１３から電力を供給される。
【００２２】
実施例１および実施例２と異なるところは、第１圧縮機１４の出口には電動機１７の回転力を駆動源とする第２圧縮機１５の入口が接続されるように圧縮機を直列に接続するとともに第２圧縮機１５の下流に圧力または温度などの冷媒状態を検出する検知手段として圧力センサー１８をもうけた点である。
【００２３】
以上のように構成された風力利用ヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、第１圧縮機１５は、第１風車１の回転力で駆動され冷媒ガスを加圧する。圧力センサー１８で検知した圧力が所定圧力よりも低い時、制御器１１は圧力の低い分だけ商用電源１３から電動機１７に電力を供給する。このとき第２圧縮機１５は電動機１７の回転力で駆動し冷媒ガスを所定の圧力まで加圧する。
【００２４】
以上のように、本実施例においては、２台の圧縮機を直列に接続し、一方を商用電源で駆動しているため、風速が低い場合、所定の圧力に足りない分だけ商用電源を付加して第２圧縮機１５を運転することができるので、常に一定の能力または必要な能力で装置を運転することができる。
【００２５】
（実施例４）
図４は、本発明の実施例４の風力利用ヒートポンプ装置の構成を示す説明図である。図４において、１９は発電機で、２０は冷媒加熱機で、２１は温度センサーである。実施例１〜３と異なるところは、風車１の回転力で駆動する発電機１９と、圧縮機１４の出口に制御器１１から電力供給を受けて冷媒を加熱する冷媒加熱機２０と、凝縮器５の２次側貯水の温度を検出する温度センサー２１とをもうけた点である。
【００２６】
以上のように構成された風力利用ヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、第１風車１が回転することにより、発電機１９と圧縮機１４が動作して電力が発生するとともに冷媒を加圧する。発電機１９で発生した電力は制御機１１により冷媒加熱機１１に供給され冷媒を加熱する。このとき、温度センサー２１が所定の値になるように制御器１１は発電機１９および商用電源１３から電力を供給することができるので、風速の低い状況においても所定の能力で装置をい運転することができる。
【００２７】
（実施例５）
図５は、本発明の実施例５の風力利用ヒートポンプ装置の構成を示す説明図である。図５において、２２は往き管で、２３は加熱機である。実施例１〜４と異なるところは、往き管２２に制御器１１から電力供給をうけて給湯水を加熱する加熱機２３をもうけた点である。
【００２８】
以上のように構成された風力利用ヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、第１風車１が回転中は発電機１９で発電した電力は冷媒加熱機に供給されて冷媒を加熱するが、給湯負荷が発生して貯湯槽１０内の貯水が往き管２２から流出するときは、制御器１１は発電機１９で発電した電力を加熱機２３に優先的に供給するように制御する。このとき、貯湯槽１０内の貯水が必要な温度に達していなくても、加熱機２３で加熱することにより必要な温度を得ることができる。
【００２９】
（実施例６）
図６は、本発明の実施例６の風力利用ヒートポンプ装置の構成を示す説明図である。図６において、８は蒸発器である。実施例１〜５と異なるところは、蒸発器８が風車１の近傍の自然風が当たる位置に設置された点である。
【００３０】
以上のように構成された風力利用ヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。蒸発器８が貯湯槽１０の傍に設置された場合は自然風が当たらなくなるため電動ファン等の送風機が必要であるが風車１の傍に設置する場合は風車１を回転させるだけの風速が保証されるため、蒸発器８の能力も保証される。さらに風車１の運転と同期して蒸発器８に風が当たるため、蒸発器８の能力を保証するための電動機を動作させるための電力も必要無くなり、省電力を大幅に低減することができる。
【００３１】
（実施例７）
図７は、本発明の実施例７の風力利用ヒートポンプ装置の構成を示す説明図である。図７において、２４はバイパス配管で、２５は開閉弁である。実施例１〜６と異なるところは、圧縮機１４の出口と蒸発器８の入口をバイパス配管２４で接続し、バイパス配管２４に開閉弁２５を設けた点である。
【００３２】
以上のように構成された風力利用ヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。外気温度が低い状態でヒートポンプ回路３を運転すると、蒸発器８に霜が発生して蒸発性能が著し低下する場合があるが、このとき、１時的にバイパス配管２４に設けた開閉弁２５を開放すると、圧縮機１４で加圧された高温のガスがバイパス配管２４を通って蒸発器８に導入されるため、蒸発器８表面の霜が溶けて再び能力を出すことができる。前記の動作を繰り返して運転することにより外気温の低下する冬期および寒冷地などでも装置を運転することができる。
【００３３】
（実施例８）
図８は、本発明の実施例８の風力利用ヒートポンプ装置の構成を示す説明図である。図８において、１はクロスフロー型の風車で、１４は風車１で駆動される圧縮機で、５は貯湯槽１０に内設する凝縮器で、８は蒸発器で、２６は外装である。
【００３４】
以上のように構成された風力利用ヒートポンプ装置について、以下にその動作、作用を説明する。風車１は、下方に設けた貯湯槽１０と上方に設けた蒸発器８で挟むように外装２６内に収められているため、風車１の風流路として貯湯槽１０が底部壁面の一部を構成するとともに、蒸発器８が上部壁面の一部を構成している。外装２６の一端から流入した風は貯湯槽１０と蒸発器８で挟まれた空間を通過して風車１を回転させた後、他の一端より機外に流出する。風車１の回転力で駆動した圧縮機１４は高温ガスを凝縮器５に送り、高温ガスは放熱して貯湯槽１０内の貯水を加熱した後、液化し膨張弁６で低圧になり蒸発機８で空気に加熱されて蒸発したあと再び圧縮機１４で加圧され循環する事となる。
【００３５】
以上のように、本実施例においては、貯湯槽１０と蒸発器８で風流路の一部を形成するとともに、ヒートポンプを構成する部品と風車を１つの外装に収めて構成することにより、部品点数が少なく、設置とための手間が少ない安価で工事性の良い装置を実現することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜８に記載の発明によれば、風車で得られる回転エネルギーを直接に圧縮機に伝達してヒートポンプ回路を運転させることによりエネルギー変換による損失を大幅に低減することができ、装置の効率を著しく向上することができる。また、風速の低い条件や、外気温度の低い環境条件でも安定した能力を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における風力利用ヒートポンプ装置の構成図
【図２】本発明の実施例２における風力利用ヒートポンプ装置の構成図
【図３】本発明の実施例３における風力利用ヒートポンプ装置の構成図
【図４】本発明の実施例４における風力利用ヒートポンプ装置の構成図
【図５】本発明の実施例５における風力利用ヒートポンプ装置の構成図
【図６】本発明の実施例６における風力利用ヒートポンプ装置の構成図
【図７】本発明の実施例７における風力利用ヒートポンプ装置の構成図
【図８】本発明の実施例８における風力利用ヒートポンプ装置の構成図
【図９】従来の風力利用ヒートポンプ装置の構成図
【符号の説明】
１　風車
２　発電機
３　ヒートポンプ回路
４　電動圧縮機
５　凝縮器
６　膨張器
７　送風機
８　蒸発器
１０　蓄熱槽
１１　制御器
１２　蓄電器
１４　圧縮機
１５　第２圧縮機
１６　第２風車
１７　電動機
１８　圧力センサー
２０　冷媒加熱器
２１　温度センサー
２２　往き管
２３　加熱器
２４　バイパス配管
２５　開閉弁

Claims

風車と、この風車の回転力を駆動源とする圧縮機と、凝縮器と、絞り手段と、外気を熱源とする蒸発器とから構成される風力利用ヒートポンプ装置。
圧縮機は、直列に接続して複数台設けられた請求項１に記載の風力利用ヒートポンプ装置。
圧縮機の出口に電力を駆動源とする第２の圧縮機を設けた請求項１又は２に記載の風力利用ヒートポンプ装置。
風車の回転力を駆動源とする発電機と、凝縮器の１次側入口に設けた冷媒加熱手段と、前記凝縮器の２次側出口に設けた温度検知手段と、前記発電機による電力と商用電力を入力とし前記温度検知手段の出力値に応じて前記冷媒加熱手段に電力を供給する制御器を有する請求項１、２又は３に記載の風力利用ヒートポンプ装置。
蓄熱槽と、前記蓄熱槽内の蓄熱流体を凝縮器の２次側に送り蓄熱槽に戻す循環ポンプと、凝縮器２次側と蓄熱槽とを接続する接続管より分岐して負荷へおくるための往き管と、前記往き管に設けた加熱器とを有する請求項１から４のいずれか１項に記載の風力利用ヒートポンプ装置。
風車近傍の自然風があたる位置に設けられた蒸発器を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の風力利用ヒートポンプ装置。
圧縮機の出口と蒸発器の入口とを開閉弁を介して接続するバイパス配管を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の風力利用ヒートポンプ装置。
風車の風流路の壁面の一部として構成される蒸発器および蓄熱槽を有する請求項１から７のいずれか１項に記載の風力利用ヒートポンプ装置。