JP2006292273A - 熱電併給システム - Google Patents

Abstract

【課題】季節、時刻等の変動によらず常に所望の給湯、暖房を実現可能な熱電併給システムを提供する。
【解決手段】作動媒体を蒸発可能な第１の蒸発器と、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機と、膨張機からの作動媒体を凝縮させる第１の凝縮器と、第１の凝縮器からの作動媒体を前記第１の蒸発器に送るポンプとを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に発電機を連結して作動媒体の膨張仕事を電力として取り出し可能に構成するとともに、前記第１の凝縮器における放熱を熱源として利用可能な熱電併給システムにおいて、第２の蒸発器で蒸発された作動媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの作動媒体を凝縮させる第２の凝縮器と、第２の凝縮器からの作動媒体を絞り機構を介して前記第２の蒸発器に戻すヒートポンプサイクルを設けるとともに、前記第１の凝縮器と第２の蒸発器との作動媒体同士を熱交換可能に構成したことを特徴とする熱電併給システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば太陽光からの受熱により動力を取り出すランキンサイクルを利用し、発電、給湯、暖房を同時にあるいは別々に行なう熱電併給システムに関する。

従来から、ランキンサイクルを利用し発電、給湯、暖房が可能な熱電併給装置はよく知られている（特許文献１）。このようなシステムにおいては、ランキンサイクルにおける膨張機における膨張仕事を電力として取り出すとともに、凝縮器における放熱を熱源として利用し給湯、暖房等が行なわれるようになっている。

しかし、上記のようなシステムにおいては、ランキンサイクルにおける凝縮器の温度に応じて、給湯、暖房の温度が決定されるため、凝縮器における冷媒温度が低温となり放熱量少のない場合には所望の給湯、暖房が行なえなくなるおそれがある。とくに、ランキンサイクルの蒸発器の熱源を太陽熱等に依存する場合には、季節、時刻、天候等により所望の給湯、暖房が実現できなくなるおそれがある。
特開２００１−２４８５３９号公報

そこで、本発明の課題は、季節、時刻等の変動によらず常に所望の給湯、暖房を実現可能な熱電併給システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱電併給システムは、作動媒体を蒸発可能な第１の蒸発器と、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機と、膨張機からの作動媒体を凝縮させる第１の凝縮器と、第１の凝縮器からの作動媒体を前記第１の蒸発器に送るポンプとを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に発電機を連結して作動媒体の膨張仕事を電力として取り出し可能に構成するとともに、前記第１の凝縮器における放熱を熱源として利用可能な熱電併給システムにおいて、第２の蒸発器で膨張された作動媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの作動媒体を凝縮させる第２の凝縮器と、第２の凝縮器からの作動媒体を絞り機構を介して前記第２の蒸発器に戻すヒートポンプサイクルを設けるとともに、前記第１の凝縮器と第２の蒸発器との作動媒体同士を熱交換可能に構成したことを特徴とするものからなる。このような構成においては、ランキンサイクルにおける第１の凝縮器とヒートポンプサイクルおける第２の蒸発器との作動媒体の間において熱交換がされるので、第２の蒸発器における作動媒体温度と第１の凝縮器における作動媒体温度を同じにすることができる。つまり、本発明に係る熱電併給システムにおいては、第１の凝縮器の放熱は直接暖房、給湯の熱源として利用されるのではなく、第２の蒸発器における作動媒体の加熱用の熱源として活用される。したがって、第２の蒸発器における作動媒体が第１の凝縮器における放熱を利用し効率的に加熱される。このため、第２の凝縮器に至る作動媒体の温度を上昇させることができるので、該第２の凝縮器において常に十分な放熱量を確保でき、季節、時刻等の変動によらず常に所望の給湯、暖房を実現できる。

上記のような熱電併給システムにおいては、第１の凝縮器と第２の蒸発器とは実質的に一つの熱交換器から構成できる。

上記第２の凝縮器における放熱は、給湯および／または暖房に利用できる。たとえば、第１の凝縮器における放熱により水、大気、ブラインを加熱することにより、給湯、暖房を行なうことができる。

本発明に係る熱電併給システムによれば、ランキンサイクルにおける第１の凝縮器とヒートポンプサイクルおける第２の蒸発器との作動媒体の間において熱交換がされるので、第２の蒸発器における作動媒体温度と第１の凝縮器における作動媒体温度を同じにすることができる。このため、第２の凝縮器に至る作動媒体の温度を上昇させることができるので、該第２の凝縮器において常に十分な放熱量を確保でき、季節、時刻等の変動によらず常に所望の給湯、暖房を実現できる。

以下に、本発明の熱電併給システムの望ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る熱電併給システムを示している。図１において、１は熱電併給システムを示している。熱電併給システム１は、ランキンサイクル２とヒートポンプサイクル３とを有している。

ランキンサイクル２は、太陽熱等により冷媒（作動媒体）を蒸発させる第１の蒸発器４と、該第１の蒸発器４で蒸発された冷媒を膨張させる膨張機５と、膨張機５からの冷媒を凝縮させる第１の凝縮器６と、第１の凝縮器６からの冷媒を第１の蒸発器４に送るポンプ７とを備えている。また、膨張機５には発電機８が連結されており冷媒の膨張仕事が電力として取り出されるようになっている。

ヒートポンプサイクル３は、第２の蒸発器９で膨張された冷媒を圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０からの冷媒を凝縮させる第２の凝縮器１１と、第２の凝縮器１１からの作動媒体を絞り機構１２を介して前記第２の蒸発器９に戻すヒートポンプサイクルに構成されている。なお、圧縮機１０はモータ１３により駆動されるようになっている。

ランキンサイクル２の第１の凝縮器６の冷媒と、ヒートポンプサイクル３の第２の蒸発器９の冷媒は互いに熱交換可能になっている。つまり、第１の凝縮器６内の冷媒と、第２の蒸発器９内の冷媒とが熱交換可能されるようになっており、本実施態様においては、第１の凝縮器６と第２の蒸発器９は実質的に一つの熱交換器１４に構成されている。このような構成においては、第２の蒸発器９における冷媒温度と第１の凝縮器６における冷媒温度を同じにすることができる。つまり、本発明に係る熱電併給システムにおいては、第１の凝縮器６の放熱は直接暖房、給湯の熱源として利用されるのではなく、第２の蒸発器９における冷媒の加熱用の熱源として活用される。したがって、第２の蒸発器９における冷媒が第１の凝縮器６における放熱を利用し効率的に加熱される。このため、第２の凝縮器１１に至る作動媒体の温度を上昇させることができるので、該第２の凝縮器１１において常に十分な放熱量を確保でき、季節、時刻等の変動によらず常に所望の給湯、暖房を実現できる。

図１における点線矢印は、第２の凝縮器１１において加熱される大気、水、ブラインの配管１５を示している。第２の凝縮器１１において、大気、水、ブラインが加熱されることにより給湯、暖房の熱源として利用されるようになっている。なお、大気が加熱される場合においては、該加熱された大気をそのまま暖房に供することもできる。また、水が加熱される場合には、該加熱された水をそのまま給湯に供することもできる。配管１５には弁（図示略）が設けられている。該弁を閉としてランキンサイクル２を運転すれば、給湯、暖房は行なわれず、発電のみが行なわれる。また、膨張機５と発電機８との間にクラッチ機構（図示略）が設けられている。したがって、ランキンサイクル２およびヒートポンプサイクル３の運転により給湯、暖房のみ行なうこともできる。つまり、図１の熱電併給システムにおいては、発電、給湯、暖房を同時にまたは独立して実施することができる。

上記のような圧力−エンタルピーの関係を図２に示す。ランキンサイクル２の動作サイクルは、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａの順に変化する。ここで、Ａ−Ｂは第１の蒸発器４による蒸発過程、Ｂ−Ｃは膨張機５による膨張過程、Ｃ−Ｄは第１の凝縮器６による凝縮過程、Ｄ−Ａは第１の凝縮器６から第１の蒸発器４に至る冷媒流路を示している。また、ヒートポンプサイクル３の動作サイクルは、Ｇ−Ｆ−Ｅ−Ｄ−Ｇの順に変化する。ここで、Ｇ−Ｆは圧縮機１０による圧縮過程、Ｆ−Ｅは第２の凝縮器１１による凝縮過程、Ｅ−Ｄは絞り機構１２を介して第２の蒸発器９に至る冷媒流路を、Ｄ−Ｇは第２の蒸発器９による蒸発過程を示している。本実施態様においては、第１の凝縮器６と第２の蒸発器９は実質的に一つの熱交換器１４に構成されているので、ランキンサイクル２の第１の凝縮器６による凝縮過程Ｃ−Ｄと、ヒートポンプサイクル３の第２の蒸発器９による蒸発過程Ｄ−Ｇは互いに別方向に進行しながら重なり合う。つまり、第１の凝縮器６の冷媒と第２の蒸発器９の冷媒とが熱交換され、第１の凝縮器６の冷媒温度が第２の蒸発器９の冷媒温度まで加熱さることが分かる。

なお、本実施態様においては、ランキンサイクル２における蒸発器４の熱源を太陽光、地熱等の自然エネルギーが利用されているが、これ以外たとえばガスボイラ、石油ボイラ、電気ボイラ等を熱源とすることができる。

本発明は、熱電併給システム全般に適用できるが、とくにランキンサイクルにおける蒸発器の熱源を太陽光、地熱等の自然エネルギーに依存する熱電併給システムに好適である。

本発明の一実施態様に係る熱電併給システムの概略構成図ある。 図１におけるランキンサイクルとヒートポンプサイクルの圧力−エンタルピー線図である。

符号の説明

１ 熱電併給システム
２ ランキンサイクル
３ ヒートポンプサイクル
４ 第１の蒸発器
５ 膨張機
６ 第１の凝縮器
７ ポンプ
８ 発電機
９ 第２の蒸発器
１０ 圧縮機
１１ 第２の凝縮器
１２ 絞り機構
１３ モータ
１４ 熱交換器
１５ 配管

Claims (6)

1. 作動媒体を蒸発可能な第１の蒸発器と、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機と、膨張機からの作動媒体を凝縮させる第１の凝縮器と、第１の凝縮器からの作動媒体を前記第１の蒸発器に送るポンプとを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に発電機を連結して作動媒体の膨張仕事を電力として取り出し可能に構成するとともに、前記第１の凝縮器における放熱を熱源として利用可能な熱電併給システムにおいて、第２の蒸発器で蒸発された作動媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの作動媒体を凝縮させる第２の凝縮器と、第２の凝縮器からの作動媒体を絞り機構を介して前記第２の蒸発器に戻すヒートポンプサイクルを設けるとともに、前記第１の凝縮器と第２の蒸発器との作動媒体同士を熱交換可能に構成したことを特徴とする熱電併給システム。
2. 前記第１の凝縮器と第２の蒸発器とが、実質的に一つの熱交換器からなる、請求項１の熱電併給システム。
3. 前記第２の凝縮器における放熱が給湯および／または暖房に利用される、請求項１または２の熱電併給システム。
4. 前記第２の凝縮器における放熱により、大気、水、ブラインのうちから選択された少なくとも一つが加熱される請求項１ないし３のいずれかに記載の熱電併給システム。
5. 発電、給湯、暖房が同時にまたは独立に実施可能に構成されている、請求項３または４の熱電併給システム。
6. 前記第１の蒸発器において作動媒体を蒸発させる熱源が、太陽熱、地熱等の自然エネルギーである、請求項１ないし５のいずれかに記載の熱電併給システム。
   
   

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