JP2007032898A - Cogeneration output utilization system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To supply heat and electric power which are the output of a cogeneration device while appropriately coping with various energy demand on the using customer side. <P>SOLUTION: This cogeneration output utilization system achieves a high capacity to cope with demand, and high energy efficiency, furthermore compact and natural refrigerant adoption by uniting an expander circuit for driving a compressor, and a refrigerating cycle in a system wherein the compressor of the refrigerating cycle is driven by a power source selecting or combining exhaust heat and electric power which are the output of the cogeneration device, and heat and cold are selectively or simultaneously output by the refrigerating cycle. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、コージェネレイション装置の電気と熱の出力の利用、適用に関する技術発明であり、その出力を利用する新技術システムを提供しようとするものである。コージェネレイション装置に於いて、実際に使用される夫々の場所での電気と熱の需要、特に暖房
、冷房と給湯の各需要に対し昼夜、年間に渡ってなるべく長い時間帯で一致、充足ができるように、その出力を需要の内容に合わせて変換させる事、さらに其の変換時に熱エネルギー出力を必要により増加させ、かつ其の運転エネルギー効率を向上させる事を目指した商品を実現するための技術を提供するものである。
The present invention is a technical invention related to the use and application of electricity and heat output of a cogeneration apparatus, and intends to provide a new technical system that uses the output. In cogeneration equipment, the demand for electricity and heat in each place where it is actually used, especially heating
In order to be able to meet and satisfy the demands of cooling and hot water supply day and night, as long as possible throughout the year, it is possible to convert the output according to the content of the demand, and at the time of the conversion the thermal energy output The technology for realizing a product aiming at increasing the necessity and improving the operating energy efficiency is provided.

コージェネレイションシステムはガスエンジン駆動発電、石油エンジン駆動発電、燃料電池発電などが実用化されているが、その原理も異なり、其の詳細の方式、能力も異なったものなど多くの種類がある。また夫々作動条件が異なり、例えば電力と熱量の出力量とその割合、熱量の排熱温度などが大きく異なるものであり、従って利用側の消費モードに合わせて種類の選定、要望性能にあわせた機器の選定が据え付け前に行われ、実運転時には運転条件と出力利用に関する制御調整等が行われているが、利用者の実際の需要要望に充分に適応できていない。   Cogeneration systems have been put into practical use, such as gas engine-driven power generation, petroleum engine-driven power generation, and fuel cell power generation. However, there are many types of cogeneration systems such as those with different principles and different detailed methods and capabilities. Also, the operating conditions are different, for example, the output amount and ratio of electric power and heat amount, the exhaust heat temperature of heat amount, etc. are greatly different, so select the type according to the consumption mode of the user side, equipment that matches the desired performance Is selected before installation, and control adjustments and the like regarding operation conditions and output use are performed during actual operation, but they are not sufficiently adapted to the actual demands of users.

実際に、電力出力の方は余剰時は市販電力回路に逆潮流させたり、不足時は配電を受ける事により調整し、他方熱量の方は温水タンクに温水を貯めて調整機能を持たせそれを給湯、乃至は冬の暖房に用いたりするのは一般的に行われてそれなりの効果をあげている。また、冬場の暖房と夏場の冷房の需要をバランスさせて実現するため、吸収式冷凍機等を組み合わせて温熱を冷熱に変換して夏の冷房にも利用するなどの技術開発と実用化が講じられてきている。しかしながらこの方式では使用開始時の立ち上がりが遅い、装置が大型で家庭用にはコスト面を含め実用化が難しい等の問題があり、実使用が進んでいない。 Actually, the power output is adjusted by reverse power flow to a commercial power circuit when it is surplus, or it is adjusted by receiving power distribution when it is insufficient, while the amount of heat is adjusted by storing hot water in a hot water tank. It is generally used for hot water supply or for heating in winter and has a certain effect. In addition, in order to achieve a balance between the demand for heating in the winter and cooling in the summer, technological development and practical application, such as the use of absorption chillers, etc. to convert the heat into cold and use it in the summer, are being implemented. It has been. However, this method has problems such as a slow start-up at the start of use, a large-sized device, and difficult to put into practical use including a cost for home use.

現状の方式、技術では上記のエネルギー需給調整可能範囲は極めて小さく、実際の現地での需要変動に対応できていない。今後、地球的エネルギー問題、環境問題の解決のために一層のコージェネレイションシステムの実用化を加速するには、コージェネレイション装置の出力である電力と熱量のどちらか又は両方を任意に選択して利用ができるようにする、さらには現場の熱需要である暖房、冷房、給湯の消費量の変動と、同じ時間帯におけるこれら熱需要の重なりに広範囲にかつ臨機応変に対応できるようにする事などが求められており、これらを実現する抜本的な需給改善システムで、エネルギー効率が高く、簡単でコンパクトなシステムを提供する、等の新しいシステムとそれを実現する技術の出現が期待されている。 With the current methods and technologies, the above-mentioned adjustable range of energy supply and demand is extremely small, and it cannot cope with actual local demand fluctuations. In the future, in order to accelerate the practical application of cogeneration systems to solve global energy problems and environmental problems, it is possible to arbitrarily select and use either or both of the power and heat output from the cogeneration system. In addition, it is possible to respond to fluctuations in the consumption of heating, cooling, and hot water that are on-site heat demands, and to meet a wide range and flexible response to the overlap of these heat demands in the same time zone. New systems such as providing a simple and compact system with high energy efficiency, and a technology that realizes such a system are expected.

そこで、発明者は現在のエネルギー変換効率の高いコージェネレイションシステムと低濃度熱エネルギーの有効利用に高い機能を有するヒートポンプ冷凍サイクルを融合させて上記のような要請に答えるための方式とそれを支える基本的な技術を発明し提案しようとするもので、本発明はそのためのコージェネレイションシステムとヒートポンプ冷凍サイクルのトータル融合技術、及びそのシステム構成と制御方式、それを実現する際に使用する冷媒回路と使用冷媒に関する技術である。 Therefore, the inventor fused the current cogeneration system with high energy conversion efficiency and the heat pump refrigeration cycle having high functions for effective use of low-concentration heat energy, and the basics that support it. The present invention intends to invent and propose a new technology, and the present invention provides a total fusion technology of a cogeneration system and a heat pump refrigeration cycle, a system configuration and control method thereof, a refrigerant circuit used for realizing the system, and a use thereof. This is a technology related to refrigerants.

前述したように従来のコージェネレイション装置の出力の利用方式は、設置設計の段階でそのピーク負荷をベースとした基準点での分析、機種選定調整を行うものが殆どである(例えば、非特許文献1参照)。従って実際の使用時は其の能力と需要は前述した様に多くの時間帯で一致しない。そこで実際の運転ではその需要と一致させるための制御に関する考案が種々なされている。(例えば、特許文献1参照) 更には大型のシステムではこの点を改善するため、空調機、冷凍機への熱出力の利用も具体的に考案、報告されている。(例えば、特許文献2、非特許文献2、3、4) As described above, most of the methods of using the output of the conventional cogeneration apparatus perform analysis at the reference point based on the peak load and adjustment of model selection at the stage of installation design (for example, non-patent literature) 1). Therefore, in actual use, the capacity and demand do not match in many time zones as described above. In view of this, various devices have been devised relating to control in order to match the demand. (For example, refer to Patent Document 1) Furthermore, in order to improve this point in a large-scale system, utilization of heat output to an air conditioner and a refrigerator has been specifically devised and reported. (For example, Patent Document 2, Non-Patent Documents 2, 3, and 4)

しかしながら、上記に示したような従来の技術をベースにした施策では極めて不十分な改善成果しか得られていない。即ち機種の選定や単なる運転の制御や温水タンク蓄熱などでは一日平均の需要量ベースで基準設定値100%に対し、使用実態にもよるが、せいぜいプラスマイナス30%程度の需要変動幅に対応できるのみで、電力、温水、冷房、暖房などに於ける大幅な、例えば一日平均の需要量ベースで夏冬通してプラスマイナス100%にも及ぶ実際の年間の需要変動幅への対応については其の効果は薄い。また、夏の冷房需要に対応すべく実用化が進められつつある上記の吸収式冷凍機や、新しく検討され始めたデシカント空調等も、夏と冬の需要バランスの平準化には原理的には効果があるが、効率、コスト、装置の大きさ等の点で実用的で無く、多くの課題を抱えている。   However, the measures based on the conventional techniques as described above have obtained extremely insufficient improvement results. In other words, for model selection, simple operation control, and hot water tank heat storage, etc., the standard set value of 100% is based on the average daily demand. As far as possible, with regard to the response to the actual fluctuation range of the annual demand, which is significant in electricity, hot water, cooling, heating, etc. The effect is thin. In addition, the above absorption chillers, which are being put into practical use to meet the cooling demand in summer, and the desiccant air conditioning system that has been newly studied, are in principle used to level the balance between summer and winter demand. Although effective, it is not practical in terms of efficiency, cost, device size, etc. and has many problems.

そこで最近さらに改善を目指した技術が提案されてきている。(例えば、特許文献4)これは車載用燃料電池の排熱を利用してランキンエンジンを駆動して冷凍サイクルを作動させるものであり、幾つかの要素の改善につながっている。即ちコージェネレイション装置の排熱を熱源として冷凍サイクルを作動させてより実用的な改善を模索している。しかしながら、これも可能性のアイデアのみで、これを実現するための具体的な技術、装置の構成原理などがほとんど検討されておらず、如何に実現するかなど多くの課題を抱えている。 Therefore, techniques aiming at further improvement have been proposed recently. (For example, patent document 4) This drives a Rankine engine using the exhaust heat of a vehicle-mounted fuel cell, and operates a refrigerating cycle, and has led to improvement of several elements. In other words, the refrigeration cycle is operated by using the exhaust heat of the cogeneration apparatus as a heat source to find a more practical improvement. However, this is also only an idea of possibility, and the specific technology for realizing this and the configuration principle of the apparatus have not been studied, and there are many problems such as how to realize it.

以上のような状況であり、従って現在の所、多くのコージェネレイション装置が設置された場合、電力出力はサイトでの電力需要に充てられ、余剰分は商用電力回路に逆潮流させる方式で売電される。一方熱出力は大部分は温水熱源として使われ、それが給湯用、乃至は暖房用に利用されている状況であるが、時間帯により熱電比率の供給能力と需要とのギャップは大きい。現状では冬の厳寒期には暖房用と風呂給湯用の温水は不足し、夏の酷暑時には商用電源によるエアコンによる冷房に頼っており、其の結果コージェネレイション装置の運転効果の実現性は薄れている。従って今後コージェネレイション装置利用の基本的な利点である所の、電力出力と熱出力の双方をオンサイトでバランス良く利用し、もってトータルの高いエネルギー効率を実現させる、それにより経済的効果をあげ、地球環境的エネルギー消費の削減に貢献し、地球環境的温暖化を和らげる、という理念を実現することが急務である。 Therefore, when many cogeneration devices are installed at present, the power output is used for the power demand at the site, and the surplus is sold to the commercial power circuit. Is done. On the other hand, most of the heat output is used as a hot water heat source, which is used for hot water supply or heating, but the gap between the supply capacity of thermoelectric ratio and demand is large depending on the time of day. At present, there is a shortage of hot water for heating and bath water supply in the severe cold season of winter, and in the hot summer, it relies on air conditioning by commercial power sources, and as a result, the feasibility of the operation effect of the cogeneration system has diminished Yes. Therefore, it is a basic advantage of using cogeneration equipment in the future, both power output and heat output will be used in a balanced manner on-site, thereby realizing total high energy efficiency, thereby achieving an economic effect, There is an urgent need to realize the philosophy of contributing to the reduction of global environmental energy consumption and mitigating global environmental warming.

コージェネレイション装置のエネルギー効率は電力と排熱の両方を出力とみなしても、インプットエネルギー全体を100%として、有効出力は約70%前後であり、単独発電装置の35%程度に比べて高い効率ではあるが、それでもやはり残りの30%は無駄に失われている事になる。本考案対象分野のコージェネレイション利用システムで消費燃料エネルギー比で100%以上の出力エネルギーを取り出せる技術の実現こそが本発明の狙いでもある。   The energy efficiency of the cogeneration system is about 70% of the total input energy even if both power and exhaust heat are regarded as output, and the effective output is about 70%, which is higher than the 35% of the single power generation system. However, the remaining 30% is still lost in vain. The aim of the present invention is to realize a technology that can extract 100% or more of output energy by the cogeneration use system in the subject field of the present invention.

以上、この分野で現在最も期待される技術分野として、特許文献3には、熱を利用して膨張機さらには圧縮機を駆動する原理が提示されており、また特許文献4に見れるように、排熱を利用して膨張機、圧縮機を駆動し、それにより冷凍サイクルを作動させてヒートポンプ原理により温熱、冷熱を発生させ、需要に合わせたエネルギー変換を達成させる方式が提示されている。この膨張機を使った方式はコージェネレイション装置の出力エネルギーの利用方式としてエネルギー効率面、出力制御面、将来の製品化と実用性、コスト面で最も優位な方式の一つであると発明者は捉えている。しかしコージェネレイション出力熱を熱源として冷媒を蒸発させて圧縮機をランキン駆動し、冷凍サイクルを作動させて温冷熱を得るシステムはアイデアとしては存在してもその実用化に向けては殆ど提案も検討もされていない状況と言える。 この最大の理由は、コージェネレイション熱出力温度に比べ、ランキン駆動する冷媒回路の技術は低温度技術であり、その技術領域が異なっていた事、及びランキン駆動する冷媒回路と冷凍サイクルの二つのシステムを連結させる技術が無かった事、従って従来技術で完成させてもシステムが大掛かりになり、実用化出来ないと判断されて来た為と思われる。   As described above, as a technical field that is currently most expected in this field, Patent Document 3 proposes the principle of driving an expander and further a compressor using heat, and as seen in Patent Document 4, A system has been proposed in which exhaust heat is used to drive an expander and a compressor, thereby operating a refrigeration cycle to generate heat and cold according to the heat pump principle to achieve energy conversion in accordance with demand. The inventor said that the system using this expander is one of the most advantageous systems in terms of energy efficiency, output control, future commercialization and practicality, and cost as a method of using the output energy of the cogeneration system. I catch it. However, even though there is a system that obtains hot / cold heat by operating the refrigeration cycle by evaporating the refrigerant using the cogeneration output heat as the heat source and driving the compressor to Rankine, the proposal is almost also considered for practical use It can be said that the situation has not been done. The biggest reason for this is that, compared to cogeneration heat output temperature, Rankine-driven refrigerant circuit technology is a low-temperature technology, its technical area was different, and Rankine-driven refrigerant circuit and refrigeration cycle system This is probably because there was no technology to connect, so even if it was completed with the conventional technology, the system became too large to be practically used.

100℃前後のコージェネレイション出力熱を用いて、高効率を得るためになるべく高い温度でランキン駆動サイクルを作動させ、そこに60℃以下の熱分野で使われてきた冷媒システム技術を用い、尚且つそのエネルギーを別の冷媒回路である冷凍サイクルに伝えていく必用があり、かつまた0℃以下にも下がる室外気から熱を汲み上げる技術等と結びつけ、全体をコンパクトでシンプルに構成し、その上で極めて高いエネルギー効率を達成できるシステムを実現しようとするもので、そこには従来に無い発想と技術の達成が必要になる。具体的には、コージェネレイション出力温度が90℃以下の場合には、冷媒の臨界点温度が1つの重要ポイントとなる。 臨界点温度の低い冷媒ではコージェネレイション出力温度が低くても、熱交換温度が臨界点温度を超えてしまうため、熱交換は冷媒の蒸発領域ではなく顕熱領域で行われるため、温度差をつける必要が生じ、より高い排熱温度熱源が必要になるからで、これが冷媒の選定の1つのキーポイントになる。 Using the cogeneration output heat of around 100 ° C, the Rankine drive cycle is operated at a temperature as high as possible to obtain high efficiency, and the refrigerant system technology used in the heat field of 60 ° C or less is used there. It is necessary to transfer the energy to the refrigeration cycle, which is another refrigerant circuit, and it is combined with technology that pumps heat from outdoor air that also falls below 0 ° C, etc., and the whole is compact and simple, It aims to realize a system that can achieve extremely high energy efficiency, which requires the achievement of unprecedented ideas and technologies. Specifically, when the cogeneration output temperature is 90 ° C. or lower, the critical point temperature of the refrigerant is one important point. For refrigerants with low critical point temperature, even if the cogeneration output temperature is low, the heat exchange temperature exceeds the critical point temperature, so the heat exchange is performed in the sensible heat region, not in the refrigerant evaporation region, so there is a temperature difference. This is a key point in the selection of the refrigerant, as a need arises and a higher exhaust heat temperature heat source is required.

一方、最近では地球温暖化を和らげるため、空調・冷凍・冷蔵などの機器に用いられる冷媒そのものについても根本的な変革が望まれている。 このため、地球温暖化指数であるGWP値の小さな新しい冷媒を用いる事、及び封入冷媒量を少なくする事、さらに封入冷媒が機器の据え付け、使用、廃却過程で大気中に漏れないで回収されるという3つの要素を改善しようとする要求が強まってきている。冷媒の地球温暖化指数であるGWPの観点からは、従来使われてきた、塩素成分を含むもの及びフッ素成分を多く含む冷媒は除外される。従って燃え難い、科学的に安定して安全な冷媒は殆どが塩素、フッ素を含むため使用できない可能性が強い。このため自然冷媒の弱点を商品側で補える技術の出現が急務であるが、未来システムであるコージェネシステムに冷凍サイクルが組み合わされ、作動冷媒を使用する事により成立するこの種の事業領域を対象とした本発明の様な新しいシステム機器には上記要請を叶えるための設計条件を満たす事が前提であると考えている。
特開2005−16845号公報 特開2000−274734号公報 特開平6−137700号公報 特開2004−60550号公報 日本建築学会偏「建築の次世代エネルギー源」井上書院 P26、P27 日本建築学界偏「建築の次世代エネルギー偏」井上書院 P50、 図3−9 日本建築学界偏「建築の次世代エネルギー偏」井上書院 P62、 写真4−3 日本建築学界偏「建築の次世代エネルギー偏」井上書院 P20
On the other hand, in recent years, in order to alleviate global warming, fundamental changes are also desired for the refrigerant itself used in equipment such as air conditioning, freezing, and refrigeration. For this reason, the use of a new refrigerant with a small GWP value, which is a global warming index, and the amount of enclosed refrigerant are reduced, and the enclosed refrigerant is recovered without leaking into the atmosphere during the installation, use, and disposal of equipment. There is an increasing demand to improve these three factors. From the viewpoint of GWP, which is the global warming index of refrigerants, those that have been conventionally used and that contain a chlorine component and refrigerants that contain a large amount of fluorine components are excluded. Therefore, there is a strong possibility that most non-flammable, scientifically stable and safe refrigerants cannot be used because they contain chlorine and fluorine. For this reason, the emergence of technology that compensates the weaknesses of natural refrigerants on the product side is urgently needed, but this type of business area is established by using working refrigerants by combining a refrigeration cycle with a future cogeneration system. It is assumed that the new system equipment such as the present invention is premised on satisfying the design conditions for fulfilling the above requirements.
JP 2005-16845 A JP 2000-274734 A JP-A-6-137700 JP 2004-60550 A Architectural Institute of Japan “Next Generation Energy Sources of Architecture” Inoue Shoin P26, P27 Japanese architecture academy "next-generation energy bias of architecture" Inoue Shoin P50, Figure 3-9 Japanese architecture academia “next-generation energy bias of architecture” Inoue Shoin P62, photo 4-3 Japanese Architectural Society “Next Generation Energy Concentration in Architecture” Inoue Shoin P20

コージェネレイション装置の出力は電力と排熱量である。如かして実際に1つのコージェネレイションシステムを利用するサイトに設置して運転させると、ある時間帯で、電力不足で熱量余剰、又は電力過剰で熱量不足、又は双方が不足、又は双方が過剰、等幾種類もの供給能力と需要とのアンマッチによる不具合等が多くの時間帯で発生し、排熱量が供給過剰の場合はコージェネレイション装置の運転の停止、不足の場合は熱量の使用制限を余儀なくされるなどの不具合が生じ、当初計画したとおりのコージェネレイショシステム全体のエネルギー効率性、便利性を享受できない事が大半である。 The output of the cogeneration system is electric power and exhaust heat. Thus, when it is installed and operated at a site that actually uses one cogeneration system, in a certain time zone, there is a surplus of heat due to insufficient power, or a shortage of heat due to excessive power, or both are insufficient, or both are excessive. Many problems occur due to mismatch between supply capacity and demand, etc. in many time periods, and if the exhaust heat amount is excessive supply, the cogeneration system operation is stopped, and if it is insufficient, the use of heat amount must be restricted. In most cases, it is impossible to enjoy the energy efficiency and convenience of the entire cogeneration system as originally planned.

特に、コージェネレイション装置の出力を年間を通じて利用する視点で考えると、給湯や暖房に温熱として利用する以外に、冷却、冷房などに使う冷熱を発生させる方式の実現がコージェネレイション装置の普及、伸張にとって重要な要素となる事がわかる。これに対して、吸収式冷凍機や高圧冷媒を利用して膨張機で冷凍サイクルを作動させる方式があるが、吸収式では単位熱量当たりのシステム容積が大きく構成が複雑で小型民生用では実用価値が少なく、その割りにエネルギー効率も低く、かつ冷暖房の切り替えに複雑な構造が必要となり、運転開始時の性能立ち上がりに時間がかかるなどの問題があり普及していない。 In particular, from the viewpoint of using the output of cogeneration equipment throughout the year, in addition to using it as hot water for hot water supply and heating, the realization of a system that generates cold heat for cooling, cooling, etc. is important for the spread and expansion of cogeneration equipment. It turns out to be an important element. On the other hand, there are systems that operate the refrigeration cycle with an expander using an absorption chiller or high-pressure refrigerant, but the absorption system has a large system volume per unit heat and its configuration is complicated, so it is practically useful for small consumer use. However, energy efficiency is low, and a complicated structure is required for switching between air conditioning and heating, and it takes time to start up performance at the start of operation.

また膨張機を利用する方式は基本的には最も優れた解決方法と考えられるが、いまだにアイデア段階で、温熱と冷熱をどの様に発生させ、それをどの様に利用するか、例えば給湯、暖房、冷房を出力できる全体システムにつき具体的な実現方策と構造、制御などに関する具体的な技術が提案されておらず、実用化できていない。以上の現状に鑑み、何らかの方式で、コージェネレイション装置の出力である電力と排熱を利用して、それを利用するサイトでの種々なエネルギー形態に合わせて変換させる具体的で、実用的な方式を実現できる技術を提供する事がコージェネレイション装置の普及にとって必要とされる。 The method using an expander is basically considered to be the best solution, but it is still in the idea stage, how to generate heat and cold, and how to use it, for example, hot water and heating. However, no specific technology regarding the realization strategy, structure, and control of the entire system capable of outputting cooling has been proposed and has not been put into practical use. In view of the above situation, a specific and practical method that uses the power and exhaust heat that are the output of the cogeneration device and converts them to various energy forms at the site that uses it in some way It is necessary for the spread of cogeneration equipment to provide technology that can realize the above.

そこで、そのための最も可能性の高い方策としてコージェネレイション装置の出力である排熱及び乃至は電力を利用して膨張機を駆動させる方式を取り上げる。この場合、前述した様に具体的に実現実用化させるための手段、構造、制御などの技術を明確にする事が課題となる。さらに、膨張機出力により圧縮機を駆動し、それにより冷凍サイクルを作動させて、その結果ヒートポンプ原理により温熱、冷熱を発生させ、それを制御して年間を通しての冷房、暖房、給湯の需要に合わせたエネルギー変換を達成させる方式と組み合わせて、その全体のシステムを具体化、実用化する施策と技術が必要である。以下、さらに個々の具体的な課題を説明する。 Therefore, a method for driving the expander using exhaust heat and / or electric power, which are outputs of the cogeneration apparatus, is taken up as the most probable measure for that purpose. In this case, as described above, it is necessary to clarify the technology such as means, structure, and control for concrete realization and practical use. Furthermore, the compressor is driven by the output of the expander, thereby operating the refrigeration cycle. As a result, heat and cold are generated by the heat pump principle and controlled to meet the demand for cooling, heating and hot water throughout the year. In combination with a method to achieve energy conversion, measures and technologies are needed to materialize and put into practical use the entire system. Hereinafter, each specific problem will be further described.

上記ヒートポンプ冷凍サイクルを作動させる方式に於いて、冷却・冷房需要、乃至は加熱・暖房需要がアンバランスで、最終の温水乃至は冷水の出力が過剰で蓄熱タンクで吸収しきれない時に其の片方の出力を停止して、他方の需要にあった運転を継続するための実用上の具体的な方法の確立が必要である。即ち出力側の温熱、温水と冷熱、冷水の双方を給湯、暖房、冷房などの実需要に合わせて出力調整する事が実用化には不可欠であるが、その具体的な実現のための技術を発明することが課題である。例えば、一旦運転停止後日時が経って、コージェネレイション装置を再度運転開始する場合には、しばらくの間、その排熱温度は低く、その間温水温熱冷熱などが充分に出力されない。この間の需要への対応も1つの課題である。 In the method of operating the heat pump refrigeration cycle, when cooling / cooling demand or heating / heating demand is unbalanced, the final warm water or cold water output is excessive and cannot be absorbed by the heat storage tank. It is necessary to establish a practical practical method for stopping the output and continuing the operation that meets the other demand. In other words, it is indispensable for practical use to adjust the output according to actual demands such as hot water supply, heating, cooling, etc. on the output side, both hot and cold water, and cold water. It is a problem to invent. For example, when the date and time after the operation is stopped and the cogeneration apparatus is started again, the exhaust heat temperature is low for a while, and the hot water temperature, the heat, and the cold energy are not sufficiently output. Response to demand during this period is also an issue.

最近では、年間を通じて運転される冷房・冷却運転時には、同時に其の冷凍サイクルに於いても排熱(凝縮放熱)が生じるが、それをコージェネレイション熱出力と如何に足し合わせて温熱出力として出力し、エネルギー出力増加と効率向上の効果を産むというさらに一歩進展した成果を達成するシステム技術の考案、確立が課題である。近年の建物の中で、人の多数集まるところが増え、年間を通じて冷房の需要があり、これと加熱・給湯を同時出力するための技術が発明されれば、コージェネシステムで大きな市場を生み出していく推進力となる。 Recently, during cooling and cooling operations that are operated throughout the year, exhaust heat (condensation heat dissipation) is also generated in the refrigeration cycle at the same time, but this is combined with the cogeneration heat output and output as a thermal output. The challenge is to devise and establish a system technology that achieves the results of a further step of producing the effects of increased energy output and improved efficiency. The number of people gathering in buildings in recent years has increased, and there is a demand for cooling throughout the year. If a technology for simultaneous output of heating and hot water is invented, a cogeneration system will create a large market. It becomes power.

上記の課題が達成されれば加熱、給湯、暖房、冷却、冷房などを同時に実現するシステムにおいて、コージェネレイション装置へのインプットエネルギーに対して、この発明の総合利用システムで利用可能出力エネルギーの総和が100%以上を達成する可能性があるが、この原理の明確化、具体的な実現技術施策の提案、其の確かさの裏付けが課題となる。これに関係する技術はコージェネレイション排熱温度と冷媒の特性との関係が主体となる。充分高温度の排熱の場合は膨張機出力、それと関連する温冷熱出力特性の点では問題ないが、固体高分子燃料電池のように、80℃を下回る出力温度の場合は冷媒特性、特に臨界点温度などが問題となる。 If the above-mentioned problems are achieved, in the system that simultaneously realizes heating, hot water supply, heating, cooling, cooling, etc., the total output energy that can be used in the integrated use system of the present invention is the input energy to the cogeneration device. Although there is a possibility of achieving 100% or more, the clarification of this principle, the proposal of a concrete realization technology measure, and the support of its certainty are issues. The technology related to this mainly consists of the relationship between the cogeneration exhaust heat temperature and the characteristics of the refrigerant. In the case of exhaust heat at a sufficiently high temperature, there is no problem in terms of the output of the expander and the related hot / cold heat output characteristics, but in the case of an output temperature lower than 80 ° C. as in the case of a solid polymer fuel cell, the refrigerant characteristics, particularly critical Point temperature is a problem.

以上のシステムを実用化できるコスト、装置の大きさ、長期信頼性、地球環境的安全性を持って実現化できる具体的構想とその具体案を提示する事も課題となる。特に膨張機の長期信頼性、寿命の確保と、作動回路に利用する作動冷媒の安全性は重要である。冷媒に関するGWPの観点からは、従来使われてきた塩素成分を含むもの及びフッ素成分を多く含む冷媒は除外される。従って燃え難い、科学的に安定して安全な冷媒は殆どが塩素、フッ素を多く含むため使用できない可能性が強い。このため自然冷媒を使用する商品側での自然冷媒の弱点を補える改善が急務であるが、以上のような新しい冷媒使用の条件に沿って、この考案のシステムに取り込む事ができる新しい技術を確立する事が課題となる。 It is also an issue to present a concrete concept and a concrete plan that can be realized with the cost, the size of the apparatus, the long-term reliability, and the global environmental safety that can put the above system into practical use. In particular, ensuring the long-term reliability and life of the expander and the safety of the working refrigerant used in the working circuit are important. From the viewpoint of the GWP relating to the refrigerant, those conventionally containing a chlorine component and those containing a large amount of a fluorine component are excluded. Therefore, there is a strong possibility that most of the scientifically stable and safe refrigerants that are difficult to burn cannot be used because they contain a large amount of chlorine and fluorine. For this reason, there is an urgent need to make improvements to compensate for the weaknesses of natural refrigerants on the product side that uses natural refrigerants, but in line with the new refrigerant usage conditions described above, new technologies that can be incorporated into the system of this invention have been established. To do is a challenge.

以上の課題を解決するために一連の解決手段を提示する。請求項1に示した第一の発明は、コージェネレイション装置の出力である排熱(H1)を本発明の冷凍サイクルを含んだ冷媒回路を作動させるエネルギーとして利用し、かつその冷媒回路から多くの熱利用の形である温熱と冷熱の双方を同時にまたは必用により温熱のみ乃至は冷熱のみを出力できる事が種々の現地サイトでの様々な需要形態に適応する上で重要である。従って請求項7及び実施例で示すように、冷凍サイクル中に室外空気と熱交換する熱交換器を設け、それを制御弁を切り替える事により蒸発器ないしは凝縮器に切り替える事により何れのモードをも実現できる冷凍サイクル技術が本発明の根幹技術の一つを提示しており、そのための詳細の構成、技術は後述の発明の項にて説明する。   In order to solve the above problems, a series of solutions are presented. In the first aspect of the present invention, the exhaust heat (H1), which is the output of the cogeneration system, is used as energy for operating the refrigerant circuit including the refrigeration cycle of the present invention. In order to adapt to various types of demands at various local sites, it is possible to output only the heat or only the cold heat at the same time or, if necessary, both the hot and cold heat forms. Accordingly, as shown in claim 7 and the embodiment, a heat exchanger for exchanging heat with outdoor air is provided in the refrigeration cycle, and any mode can be obtained by switching it to an evaporator or a condenser by switching a control valve. The refrigeration cycle technology that can be realized presents one of the basic technologies of the present invention, and the detailed configuration and technology for that will be described in the section of the invention described later.

第二の発明は、第一の発明をさらに展開して、現地サイトでのより広い需要形態に適応しようとするもので、コージェネレイション装置の出力である電力(E1)及び排熱(H1)さらに必要により商用電力を本発明の冷凍サイクルを含む冷媒回路を作動させるエネルギー源として取捨選択して又は組み合わせて利用し、請求項1の冷凍サイクルの切り替えと相乗効果を生むという発明で、この時そのエネルギー源を組み合わせてまたは切り替え、選択して利用できる事が現地のより広範囲の需要形態に適応する上で重要である。請求項5及び実施例に詳細を示す。これからわかるように、この技術が本発明の根幹技術の二つ目を提示している。詳細の構成、技術は後述の発明の項にて説明する。 The second invention further expands the first invention to adapt to a wider demand pattern at the local site. The power (E1) and exhaust heat (H1) which are the outputs of the cogeneration system, If necessary, the commercial power is selected as an energy source for operating the refrigerant circuit including the refrigeration cycle of the present invention, or used in combination, and the invention provides a synergistic effect with the switching of the refrigeration cycle according to claim 1. The ability to combine, switch, select and use energy sources is important for adapting to a wider range of local demand patterns. Details are given in claim 5 and the examples. As can be seen, this technology presents the second of the fundamental technologies of the present invention. Detailed configuration and technique will be described in the section of the invention described later.

第三の発明は第一第二の発明で得られる効果を組み合わせたもので、圧縮機を駆動する方式の選択と温熱出力と冷熱出力を適宜組み合わせた出力モードを組み合わせて選択し、動力源の需給に対応し、温熱、冷熱出力を利用した給湯、暖房、冷却、冷房などの使用者のニーズに対応してシステムを作動させる。実用上重要な事は、何れの需要形態そして広い需要量範囲に応じて適応できるように出力出来ること、さらにそれを大きなタンクなどによる大容量蓄熱などの手段を講じなくても一定の広範囲の需要モードにあわせてシステムを継続的に作動できるようにする。この発明が市場での多くの需要形態により適切に適応できるようにするための具体的な根幹技術の一つである。詳細の構成、技術は後述の発明の項及び実施例にて説明する。第四の発明は、コージェネレイション排熱が低温度の場合でも、それを有効に利用して冷凍サイクルを作動させるために必要な冷媒特性を提示している。装置の排熱温度が充分に高く無い時はそれから得られる高圧冷媒の圧力は低くなり、膨張機を駆動する力が不足する。これを補うため膨張機冷媒回路の冷媒循環流量を増加させると、結果として、コージェネレイション排熱量をその分多量に使用しなければならず、コージェネレイション出力利用システムとしての効率が低下する。 The third invention is a combination of the effects obtained in the first and second inventions, and is selected by combining the selection of the driving method of the compressor and the output mode appropriately combining the thermal output and the cold output. In response to supply and demand, the system is operated in response to the needs of users such as hot water supply using heating and cooling output, heating, cooling and cooling. What is important for practical use is that it can be output to adapt to any demand form and a wide range of demand, and it can be applied to a wide range of demand without taking measures such as large-capacity heat storage using a large tank. Allows the system to continue to operate in accordance with the mode. This is one of the concrete basic technologies for enabling the present invention to be appropriately adapted to many demand forms in the market. Detailed configurations and techniques will be described in the section of the invention and examples below. The fourth invention presents the refrigerant characteristics necessary for operating the refrigeration cycle by effectively utilizing the cogeneration exhaust heat even when the temperature is low. When the exhaust heat temperature of the apparatus is not sufficiently high, the pressure of the high-pressure refrigerant obtained therefrom is low, and the power for driving the expander is insufficient. If the refrigerant circulation flow rate of the expander refrigerant circuit is increased to compensate for this, as a result, a large amount of cogeneration waste heat must be used, and the efficiency of the cogeneration output utilization system is reduced.

請求項4はこの効率低下を少なくする技術を二つ提示している。一つは熱源熱交換器での冷媒温度を臨界点温度より低い温度領域で作動させるもので、即ちそこでの熱移動を冷媒の顕熱域ではなく、潜熱域で行わせるものである。具体的にはコージェネレイションシステムの排熱温度条件を80℃以上と考えて、80℃近い低温度熱源で、充分に蒸発潜熱で熱交換できる冷媒の条件(即ち臨界点温度が作動温度より10℃高い)を考慮して冷媒を選定すると臨界点温度は90℃以上の冷媒が望ましい。 しかしながら、排熱温度が90℃以上の温度が得られる装置の場合、この臨界点温度が90℃の冷媒では蒸発潜熱での熱交換はできなくなるが、熱源温度が高くなるためそのマイナス要因はカバーでき、臨界点温度の重要性は薄れる。今一つは熱源熱交換器での熱交換を対向流で行わせて伝熱効率を高め、温度コンタクトファクターを高めるものである。これは冷媒のその後の膨張行程で安定して作動させるために冷媒自体を過熱しておく必要があるためで、その為には冷媒の出口温度をコージェネレイション排熱源媒体の最も高温度である入り口温度に限りなく近づけることが有効であるからである。 Claim 4 presents two techniques for reducing this reduction in efficiency. One is to operate the refrigerant temperature in the heat source heat exchanger in a temperature region lower than the critical point temperature, that is, to cause the heat transfer there to be performed in the latent heat region, not in the sensible heat region of the refrigerant. Specifically, assuming that the exhaust heat temperature condition of the cogeneration system is 80 ° C. or higher, the condition of the refrigerant that can sufficiently exchange heat with latent heat of vaporization at a low temperature heat source close to 80 ° C. When the refrigerant is selected in consideration of (high), a refrigerant having a critical point temperature of 90 ° C. or higher is desirable. However, when the exhaust heat temperature is 90 ° C or higher, a refrigerant with a critical point temperature of 90 ° C cannot exchange heat with latent heat of vaporization. Yes, the critical point temperature is less important. The other is to increase the heat contact efficiency and increase the temperature contact factor by allowing the heat source heat exchanger to exchange heat in a counter flow. This is because the refrigerant itself needs to be overheated in order to operate stably in the subsequent expansion stroke of the refrigerant. For this purpose, the refrigerant outlet temperature is set to the highest temperature of the cogeneration exhaust heat source medium. This is because it is effective to bring the temperature as close as possible.

一方システムの冷媒の最大圧力は冷媒回路全体の構造設計、信頼性の基本であり、それは冷媒回路の構成部材の耐圧材料特性、製造性、材料コストなどから総合的に選定される。
発明者はそれが10MPa以上では極めて実用性がなくなる事を理解している。膨張機冷媒回路の膨張前圧力を10MPaの場合、冷媒回路全体のサイクル構成上膨張後圧力は約
4MPaと算定される。一方、本システムの実用上の基準温熱出力温度は給湯器を想定し、60℃であり、これをから温熱出力熱交換器の冷媒凝縮温度を60℃と算定している。従って使用される冷媒の圧力は、基準温度60℃において4MPa以下である必用がある関係が導かれる。その具体的な圧力関係の事例を実施例に示す。 第五の発明は第二、第三、第四の発明に於いて、排熱(H1)だけでなく電力(E1)又は商用電力を駆動用エネルギー源として利用するために、膨張圧縮機シェル内にさらに電動モータを設置し、軸を一体に構成するなどによりモータによっても圧縮機を駆動できるように構成する。如かしてモータで駆動する時は請求項16にあるように膨張機シリンダを開放してレリースさせ、膨張機で駆動する時はモータは空回りさせて逆起電力が発生する事が無い様に誘導電動機を用いる。以上が第ニ第三第四の発明を実現させるための基本技術の一つである。詳細の構成、技術は後述の発明の項にて説明する。
On the other hand, the maximum pressure of the refrigerant in the system is the basis of the structural design and reliability of the entire refrigerant circuit, which is comprehensively selected from the pressure-resistant material characteristics, manufacturability, material cost, etc. of the components of the refrigerant circuit.
The inventor understands that if it is 10 MPa or more, it is extremely impractical. When the pre-expansion pressure of the expander refrigerant circuit is 10 MPa, the post-expansion pressure is calculated to be about 4 MPa due to the cycle configuration of the entire refrigerant circuit. On the other hand, the practical reference temperature output temperature of this system is 60 ° C. assuming a water heater, and the refrigerant condensation temperature of the heat output heat exchanger is calculated as 60 ° C. from this. Therefore, the relationship that the pressure of the refrigerant used needs to be 4 MPa or less at the reference temperature of 60 ° C. is derived. Examples of specific pressure relationships are shown in the examples. In the second, third and fourth inventions, the fifth invention is not limited to exhaust heat (H1), but also uses electric power (E1) or commercial power as an energy source for driving. Further, an electric motor is installed, and the compressor is driven by the motor, for example, by integrally configuring the shaft. Thus, when driven by a motor, the expander cylinder is opened and released as in claim 16, and when driven by an expander, the motor is idled so that no back electromotive force is generated. An induction motor is used. The above is one of the basic techniques for realizing the second, third and fourth inventions. The detailed configuration and technique will be described in the section of the invention described later.

以上のように本システムの出力をサイトの広範囲な熱需要に合わせるため、冷媒回路に温熱出力熱交換器を、冷凍サイクルに冷熱出力熱交換器を設ける事を発明6として提案している。これを同時に作動させて、例えば冷房、暖房、給湯の需要に対し、その同時に生じる熱需要、更には温熱需要増に対応するものである、この機能の特徴は、従って、請求項13に示された圧縮ガス凝縮熱量(H2)プラス膨張冷媒凝縮熱量(H3)に加えてH2にほぼ等しい冷凍サイクル冷熱量が得られる事になる。従ってコージェネレイション出力である電力(E1)、排熱(H1)に対し、(H1)がほぼ(H3)に等しい事を考慮してプラス、マイナスすると、この出力利用システムでは、温熱(H3)に加えて温熱(H2)、及び冷熱(=H2)分だけ増加した利用可能熱量を得られる事を意味する。この結果コージェネレイション装置へのインプットエネルギーに対し本発明の出力利用システムの利用可能出力熱エネルギーの総和はインプットされる排熱量(H1)の3倍の量に達する事も可能となるが、詳細は実施形態の事例で再度検討する。 As described above, in order to match the output of this system with the wide-ranging heat demand of the site, it is proposed as Invention 6 to provide a thermal output heat exchanger in the refrigerant circuit and a cold output heat exchanger in the refrigeration cycle. The feature of this function, which is activated simultaneously, for example corresponding to the demand for cooling, heating and hot water supply, which corresponds to the simultaneous heat demand, and also to the increase in thermal demand, is therefore indicated in claim 13. In addition to the compressed gas condensation heat amount (H2) plus the expanded refrigerant condensation heat amount (H3), a refrigeration cycle cold heat amount substantially equal to H2 is obtained. Therefore, if the power (E1) and exhaust heat (H1), which are cogeneration outputs, are plus or minus taking into consideration that (H1) is approximately equal to (H3), this output utilization system will increase the heat (H3). In addition, it means that the amount of heat that can be used is increased by the amount of heat (H2) and cold (= H2). As a result, the total available output heat energy of the output utilization system of the present invention can reach three times the amount of exhaust heat input (H1) with respect to the input energy to the cogeneration apparatus. Consider again the case of the embodiment.

このシステムの出力エネルギーは一体のユニット内に設置された密閉型の冷媒回路からユニット内に於いて出力される。そこからユニット外には水等の、途中で漏れた時も安全でかつ補充などのメンテナンスが容易な自然媒体を用いて熱搬送される。この明確な技術構想は、一体のユニットに収まった一体の密閉型冷媒回路を発明し、安全で、長期的信頼性が高いシステムを提供する事を目的としている。 現在世界の冷媒安全基準を審議する国際団体では、毒性、可燃性のある自然冷媒の使用基準として、室内空気に接する部分を持つ冷媒回路の場合はその回路に封入できる冷媒量に関する規制を設けている。即ち自然冷媒の特徴であるところの、燃えやすい冷媒、毒性のある冷媒等の装置封入量には規制があるわけである。しかしながら、該冷媒回路が室内に開放する乃至は室内空気と接する部分が無く、かつ水等を媒体に使用して室内等へ出力としての温熱、冷熱を運搬する方式はこの規制の影響を受けない。この完全な安全性を実現する事を本発明の前提条件としており発明8に纏められている。 The output energy of this system is output in the unit from a sealed refrigerant circuit installed in the unit. From there, heat is transferred to the outside of the unit using a natural medium such as water that is safe and easy to replenish when it leaks in the middle. This clear technical concept aims to invent an integrated sealed refrigerant circuit housed in an integrated unit and to provide a safe and long-term reliable system. An international organization that currently deliberates refrigerant safety standards around the world has established regulations regarding the amount of refrigerant that can be enclosed in a refrigerant circuit that has a part that comes into contact with indoor air, as a standard for the use of toxic and flammable natural refrigerants. Yes. In other words, there are restrictions on the amount of equipment enclosed such as flammable refrigerant and toxic refrigerant, which is a characteristic of natural refrigerant. However, the refrigerant circuit is not open to the room or has a portion that does not come into contact with the room air, and the method of transporting the heat and cold as output to the room using water or the like as a medium is not affected by this regulation. . Realizing this complete safety is a precondition of the present invention and is summarized in Invention 8.

請求項6の技術は以上の思想の基に発明されたが、今一つ別の効果の達成を目的としている。即ち出力である温冷熱が温冷水の形でユニット外に搬出され、ユニット外のタンクに貯蓄された形で蓄熱される。これにより使用者の需要形態、使用時間の変化に対し、より一層柔軟に対応する事が可能になるという大きな効果を生み出している。特に冷熱を最も扱いやすい熱媒体である水を利用して容易に蓄熱できる効果は実用上極めて大きい。一方、本システム外部への熱の搬送は一端CO2などの他の自然媒体を用いる事もある。これは主に伝熱と熱搬送特性が優れている点を利用するものである。 The technique of claim 6 was invented based on the above idea, but it is aimed at achieving another effect. That is, the hot / cold heat that is output is carried out of the unit in the form of hot / cold water and stored in a tank stored outside the unit. This produces a great effect of being able to respond more flexibly to changes in the user's demand form and usage time. In particular, the effect of being able to store heat easily by using water, which is the heat medium that can handle cold most easily, is extremely large in practice. On the other hand, the heat transfer to the outside of the system may use another natural medium such as CO 2 at one end. This is mainly due to the fact that heat transfer and heat transfer characteristics are excellent.

最終的な利用者の需要形態は温水、冷水、暖房、冷房であり、それが同時に乃至は選択的に、且つ上記のような蓄熱等に頼らないで、ある能力範囲であれば継続的に供給できるシステムを具体化する技術が求められている。発明7は、発明6で得られる温熱と冷熱に対し、木目細かくサイトの需要変化に応える為の基本的な方策、とその技術を提案している。即ち温熱出力熱交喚器と冷熱出力熱交喚器の冷媒回路上の中間に外気と熱交換する熱交喚器を設けて、不要になった温熱又は冷熱の何れかを外気に捨てる方法である。これにより温熱が過剰な時でも温熱を外気に捨てながら冷熱を得る運転を継続できるし、その逆も可能である。この発明7による調整機能と併せて発明2、5による電力と排熱の双方を選択利用できる機能、発明6の温熱と冷熱を同時に得て、それを貯留する事ができる機能が合わさって、本当の意味での顧客の広範囲な年間にわたる需要の変化に対し最大限に適応できるコージェネレイション出力利用システムを実現している。 The final form of demand for users is hot water, cold water, heating, and cooling, and they can be supplied continuously within a certain capacity range, simultaneously or selectively, and without relying on heat storage as described above. There is a need for a technology that materializes a system that can be used. Invention 7 proposes a basic measure and technology for responding to changes in demand on the site finely with respect to the heat and cold obtained in Invention 6. In other words, by installing a heat exchanger that exchanges heat with the outside air in the middle of the refrigerant circuit of the heat output heat exchanger and the heat output heat exchanger, and throwing away any unnecessary heat or cold to the outside air is there. As a result, even when the heat is excessive, it is possible to continue the operation of obtaining the cold while throwing away the heat to the outside air, and vice versa. Combined with the adjustment function according to the invention 7, the function that can selectively use both the electric power and the exhaust heat according to the inventions 2 and 5, and the function that can simultaneously obtain and store the heat and cold of the invention 6 are combined. In this sense, we have realized a cogeneration output utilization system that can adapt to the changes in customer demand over a wide range of years.

本発明のコージェネレイション出力利用システムの基本コンセプトは上記の発明1−7に記した機能面と併せて、実用性、据付応用性、安全性、実用化できるコストといった項目が満たされている事が重要である。このための要検討項目は、1、冷媒回路が一体でコンパクト 2、システムがコンパクトで一体ユニットに収納可能 3、システムとしての制御がユニット内で完結している 4、製造後の出荷試験確認が容易 などである。従って本発明は以上の項目を満足できる仕様を前提に考えられており、発明8は基本構想に基づいた検討結果として、全機能部品を一体の筐体に組み込んだユニット構造である事を提
案しており、冷媒回路の全ての部材を完全密閉構造とする事、それは機械的接合部分を持たないものである事を提示している。
The basic concept of the cogeneration output utilization system of the present invention, in addition to the functional aspects described in the above inventions 1-7, is that items such as practicality, installation applicability, safety, and cost for practical use are satisfied. is important. Necessary items for this study are: 1. Refrigerant circuit is integrated and compact. 2. System is compact and can be stored in an integrated unit. 3. Control as a system is completed within the unit. Easy. Therefore, the present invention is considered on the premise of the specifications that can satisfy the above items, and as a result of investigation based on the basic concept, the present invention proposes a unit structure in which all functional parts are incorporated into an integral casing. It is suggested that all the members of the refrigerant circuit have a completely sealed structure, which has no mechanical joint.

しかもこの事は以下に述べる発明である自然冷媒の選定、冷媒回路の公正、圧縮機の信頼性確保、システム全体の制御の確立、安全性検知、コージェネレイションシステムとの制御の分離と連携、コスト低減と長期信頼性の確保、等、商品化する上で避けて通れない多くの項目実現の前提条件となる重要な構成要因となるものである。発明9では膨張機サイクルと圧縮機サイクルに同じ冷媒を使いかつ、膨張機、圧縮機、電動モータを一体の軸として構造を簡略化し、両冷媒サイクルをシェル内の吐出ガススペースから温水出力熱交喚器を通過して両サイクルの分流器までの間一体化した冷媒回路とする発明である。これは広い温度範囲に使える冷媒と潤滑油の選定、冷凍サイクルの全体構成、冷凍サイクルの冷媒流制御の最適設定等の技術により実現できるもので、全システムユニットの簡略化、コスト削減効果に大きな効果を持つ。 In addition, this is the invention described below, selection of natural refrigerant, fairness of refrigerant circuit, ensuring compressor reliability, establishment of overall system control, safety detection, separation and coordination of control with cogeneration system, cost It is an important component that is a prerequisite for realizing many items that cannot be avoided in commercialization, such as reduction and long-term reliability. In invention 9, the same refrigerant is used for the expander cycle and the compressor cycle, and the structure is simplified with the expander, the compressor, and the electric motor as an integral shaft, and both refrigerant cycles are heated from the discharge gas space in the shell to the hot water output heat exchanger. It is an invention in which the refrigerant circuit is integrated between the agitator and the flow dividers of both cycles. This can be achieved by technologies such as selection of refrigerants and lubricants that can be used in a wide temperature range, overall configuration of the refrigeration cycle, and optimal settings for refrigerant flow control of the refrigeration cycle. Has an effect.

発明10は請求項9で膨張機冷媒回路と冷凍サイクルが再び分かれる分流点での相互のエネルギー回収技術に関する発明である。分流後、膨張機冷媒回路側に進んだ液冷媒の圧縮のために、通常は電動液ポンプが使われる。(請求項11) 一方冷凍サイクル側に進んだ冷媒は電動式冷媒制御弁にて膨張して低圧、低温になり、冷熱出力熱交喚器に送られる。発明10はこの冷凍サイクル側の膨張エネルギーを膨張機冷媒回路側の液圧縮に利用しようとするもので、そのための一体となった膨張及び圧縮用の回転体を内包した液分流器に関するものである。 A tenth aspect of the present invention relates to a mutual energy recovery technique at a branch point where the expander refrigerant circuit and the refrigeration cycle are separated again in the ninth aspect. An electric liquid pump is usually used to compress the liquid refrigerant that has advanced to the expander refrigerant circuit after the diversion. (Claim 11) On the other hand, the refrigerant that has advanced to the refrigeration cycle is expanded by the electric refrigerant control valve to become low pressure and low temperature, and is sent to the cold output heat exchanger. Invention 10 intends to utilize the expansion energy on the refrigeration cycle side for liquid compression on the expander refrigerant circuit side, and relates to a liquid shunt that includes a rotating body for expansion and compression integrated therefor. .

電動液ポンプの動力を使わないで済む分はその電力消費が低減し、かつ冷凍サイクル側の膨張後の冷媒は膨張仕事を回転体に与えた分だけその出口エンタルピーは低下し、その結果冷熱出力熱交喚器に於ける冷却能力は増加する。 その改善効果はともに5%程度のエネルギー効率向上が期待でき、併せて10%にも及ぶ効率向上につながるものである。 同時に現地での種々な運転条件に於いて、膨張機冷媒回路側の液圧縮を最適に行わせるには、膨張圧縮分流器には補助用の電動モータを組み込んで上記回転体の駆動を助けかつ制御するか、または分流器の下流の回路に電動液ポンプを設置してこの液圧縮量を補完、制御させる事が実用上必要であり、発明11として請求項11に提示した。膨張子と圧縮子を持たない分流器の場合は電動液ポンプにより液圧縮を行う事も同11に示した。 The power consumption is reduced as long as the power of the electro-hydraulic pump is not used, and the expanded refrigerant on the refrigeration cycle side has its outlet enthalpy reduced by the amount of expansion work applied to the rotating body, resulting in cold output. The cooling capacity in the heat exchanger increases. Both of the improvement effects can be expected to improve energy efficiency by about 5%, which leads to efficiency improvement of 10%. At the same time, in order to optimally perform liquid compression on the side of the expander refrigerant circuit under various operating conditions on site, an auxiliary electric motor is incorporated in the expansion / compression shunt to help drive the rotor. It is practically necessary to control or to supplement and control the liquid compression amount by installing an electric liquid pump in a circuit downstream of the flow divider. The invention 11 is presented in claim 11. In the case of a shunt without an expander and a compressor, it is shown in FIG. 11 that liquid compression is performed by an electric liquid pump.

発明12は発明9と並んで冷媒回路に関する重要な発明で、一体のユニット筐体に収められた冷媒回路構造は密閉型冷媒回路を実現するための前提条件であり、密閉型冷媒回路は自然冷媒採用の前提条件となる。即ち製造拠点で完全な状態に製造されて、かつ出荷後に必要とされるロー付け乃至は締め付け作業などが無くて、冷媒リークの発生する危険の少ない一体の冷媒回路と請求項19に記載された冷媒漏れ検知機能を実現化できる一体ユニット構造こそが厳しい自然冷媒の使用基準を満足させる前提となる。GWP値は勿論ゼロが望ましいが、現在最もよく使われているフロン冷媒のGWPは1300〜1700のレベルであり、これでは製品破棄時などでは100%の冷媒回収を行う事が必要で有り、
ガスリークなどが生じる実態とは相容れない。GWP150以下という選定は、ユニットが一体型で冷媒回路が密閉式であることを前提とすれば、現場サイトで配管をする現在一般的エアコンの方式での自然冷媒(プロパンなど)使用よりも安全サイドにあると考えている。
Invention 12 is an important invention related to the refrigerant circuit along with Invention 9, and the refrigerant circuit structure housed in an integral unit housing is a precondition for realizing a closed refrigerant circuit, and the closed refrigerant circuit is a natural refrigerant. It is a prerequisite for adoption. That is, an integrated refrigerant circuit manufactured in a complete state at a manufacturing base and without a brazing or tightening operation required after shipment and having a low risk of refrigerant leakage is described in claim 19. The integral unit structure that can realize the refrigerant leak detection function is the premise for satisfying strict standards for using natural refrigerants. Of course, the GWP value is preferably zero, but the GWP of the most commonly used chlorofluorocarbon refrigerant is 1300 to 1700 level, and it is necessary to recover 100% of the refrigerant when the product is discarded.
This is incompatible with the actual situation of gas leaks. Selection of GWP150 or less is safer than the use of natural refrigerants (such as propane) in the current general air-conditioner system where piping is performed at the site, assuming that the unit is integrated and the refrigerant circuit is hermetically sealed. I believe that.

如かしてコージェネレイション装置の高いエネルギー効率を生かした商品に、自然環境と地球に優しい冷媒などの素材、材料を使いこなす事が商品の位置付けを高め、その流通寿命を長くするという大きな効果が期待できる。勿論自然冷媒採用に於いても、このシステムの商品性確保に適した組成、熱的特性が商品成立のための重要な条件となる。このため請求項12の仕様が前提となる。 In this way, the use of materials and materials that are friendly to the natural environment and the earth in products that take advantage of the high energy efficiency of cogeneration equipment is expected to increase the positioning of the product and increase its distribution life. it can. Of course, even in the case of adopting natural refrigerants, the composition and thermal characteristics suitable for ensuring the merchantability of this system are important conditions for commercialization. For this reason, the specification of claim 12 is assumed.

発明13は温熱出力の最大化を狙い、膨張機冷媒回路における膨張ガス凝縮熱量(H3)と冷凍サイクルにおける圧縮ガス凝縮熱量(H2)を一緒に温熱として同一の温熱出力熱交喚器で出力させるものである。請求項9に述べた発明9の場合は既に両者の冷媒回路はこの部分で一体化しているので、一体化した冷媒の流れが温水出力熱交換器にてこの足し合わせた熱量分を出力する事になる。温熱の需要は一般には冬季に消費使用者が増加し、暖房と給湯の需要が重なった時に最大となる事が多く、その時に備えて重要な機能であり、それへの対応策を実現化する上で優れた発明、技術である。 The invention 13 aims at maximizing the thermal output, and outputs the expansion gas condensation heat quantity (H3) in the expander refrigerant circuit and the compressed gas condensation heat quantity (H2) in the refrigeration cycle together as the heat, and outputs it with the same thermal output heat exchanger. Is. In the case of the ninth aspect described in claim 9, since both refrigerant circuits are already integrated in this portion, the flow of the integrated refrigerant outputs the amount of heat added by the hot water output heat exchanger. become. The demand for heat is generally the highest when the number of consumers increases in winter and demand for heating and hot water overlaps. This is an important function in preparation for that, and realizes countermeasures for it. This is an excellent invention and technology.

発明14は膨張機と圧縮機の機構部分の潤滑に関する。仮に、シェル内を膨張機入り口冷媒である高圧ガスで満たす構造にすれば両者のシリンダへの潤滑油の供給は容易である
。その場合はシェル内の潤滑油は膨張機と圧縮機のシリンダ内部のガス圧力より高圧になるため、膨張機と圧縮機に必要な潤滑油経路を巧みに備えてやれば高圧の潤滑油はその経路を伝って各シリンダ内部まで到達し、必要な部分を潤滑させる事が容易に可能である。しかしながら、コージェネレイションの排熱はコージェネレイションシステムの方式にも拠るがおよそ80℃―200℃であり、その排熱を利用してできる高圧ガスも80−150℃程度の飽和ガス圧力となり、従って使用する冷媒ガスによっても異なるがその飽和圧力は極めて高圧となり、シェルの構造耐圧力及び装置の安全性からみて採用できない。
Invention 14 relates to lubrication of the mechanical parts of the expander and the compressor. If the shell is filled with high-pressure gas that is an expander inlet refrigerant, it is easy to supply lubricating oil to both cylinders. In that case, the lubricating oil in the shell becomes higher than the gas pressure inside the cylinders of the expander and the compressor. Therefore, if the lubricating oil path necessary for the expander and the compressor is skillfully provided, It is possible to easily reach the inside of each cylinder along the path and lubricate the necessary part. However, although the exhaust heat of cogeneration depends on the system of the cogeneration system, it is about 80 ° C-200 ° C, and the high-pressure gas that uses the exhaust heat also reaches a saturated gas pressure of about 80-150 ° C. Depending on the refrigerant gas to be used, the saturation pressure is extremely high and cannot be adopted in view of the structural pressure resistance of the shell and the safety of the device.

従ってシェル内は膨張機出口冷媒と冷凍機出口冷媒で満たす方式とし、膨張機シリンダへ潤滑油を送り込むためにはその圧力関係から高圧側へ潤滑油を送り込む必要があり、新しい工夫と技術が要る。如かして潤滑油用の電動オイルポンプを設ける方法も一案であるが、構造、コスト、信頼性からみて得策ではない。そこで本考案では圧縮機は自前でシェル内で従来既知の方式の潤滑機構を設け、膨張機は膨張サイクルに使われる液ポンプに着目し、その液吸込み部分へ膨張機シェル内の潤滑油を導入して、液ポンプで冷媒とともに昇圧させて冷媒回路で膨張機まで循環させようとするものである。これによりシェル内から外部に流出する潤滑油量を最小に抑え、また、性能悪化への影響が著しい冷凍サイクル回路を循環する潤滑油量を最小に抑える事ができるからである。   Therefore, the shell is filled with the refrigerant at the outlet of the expander and the refrigerant at the outlet of the refrigerator, and in order to send the lubricating oil to the expander cylinder, it is necessary to send the lubricating oil to the high-pressure side due to its pressure relationship, which requires new devices and techniques. The Thus, a method of providing an electric oil pump for lubricating oil is one idea, but it is not a good idea from the viewpoint of structure, cost, and reliability. Therefore, in the present invention, the compressor has its own lubrication mechanism in the shell by itself, and the expander pays attention to the liquid pump used in the expansion cycle, and introduces the lubricating oil in the expander shell to the liquid suction part. Then, the pressure is increased together with the refrigerant by the liquid pump and is circulated to the expander by the refrigerant circuit. This is because the amount of lubricating oil flowing out of the shell to the outside can be minimized, and the amount of lubricating oil circulating in the refrigeration cycle circuit, which has a significant effect on performance deterioration, can be minimized.

この時最も重要なポイントは細管で潤滑油を安定して取り出す技術の確立である。なぜなら、ガス冷媒及び金属粉等が混入した場合には細管内にチョークが起こり潤滑油流量が著しく低下したり、液ポンプと膨張機の金属摺動部に損傷を与える可能性があるからである。従ってシェル内の潤滑油溜りの底部、即ち油溜り高さの1/3以下の部分から金属粉やガス冷媒の混ざる割合の少ない潤滑油を取り出す必要がある。   At this time, the most important point is the establishment of a technique for stably extracting the lubricating oil with a thin tube. This is because when gas refrigerant, metal powder, or the like is mixed, choke is generated in the thin tube, and the flow rate of the lubricating oil may be remarkably reduced, or the liquid sliding part of the liquid pump and the expander may be damaged. . Therefore, it is necessary to take out the lubricating oil with a small ratio of the metal powder and the gas refrigerant mixed from the bottom of the lubricating oil reservoir in the shell, that is, a portion of 1/3 or less of the oil reservoir height.

発明15は冷媒回路の冷媒を具体的に選定している。以上の発明を具体化する為にはそれを実現し易い冷媒を用いる必要があり、請求項4、12を満たす冷媒としてR152a、
R600a、R290、R717等が該当する。R600a(イソブタンC4H10、GWP20、臨界点温度133℃、飽和圧力60℃にて0.8MPa)、R290(プロパンC3H8、GWP20、臨界点温度97℃、飽和圧力60℃にて2.0MPa)、R717(アンモニア、NH3、GWP2、臨界点温度132℃、飽和圧力60℃にて2.0MPa)、R152a(低GWPフロンHFC C2H4F2、GWP140、臨界点温度113℃、飽和圧力60℃にて1.3MPa)などが選定される。
In the fifteenth aspect, the refrigerant in the refrigerant circuit is specifically selected. In order to embody the above invention, it is necessary to use a refrigerant that is easy to realize, and as a refrigerant satisfying claims 4 and 12, R152a,
R600a, R290, R717, etc. are applicable. R600a (isobutane C4H10, GWP20, critical point temperature 133 ° C., saturation pressure 60 ° C., 0.8 MPa), R290 (propane C3H8, GWP20, critical point temperature 97 ° C., saturation pressure 60 ° C., 2.0 MPa), R717 ( Ammonia, NH3, GWP2, critical point temperature 132 ° C., 2.0 MPa at saturation pressure 60 ° C.), R152a (low GWP Freon HFC C2H4F2, GWP 140, critical point temperature 113 ° C., saturation pressure 60 ° C., 1.3 MPa) Is selected.

発明16は本発明の出力利用システム全体を制御する方式を提案している。コージェネレイション装置の運転開始立ち上がり状況と排熱温度と排熱量、それに関連して今後の全システムでの電力と温水及び冷水供給可能量、総エネルギー需要量(電力需要:照明など
、排熱需要:給湯など、冷却需要:冷房など)とその予測、現在蓄熱量、等による各エネルギー量の過不足、及び今後の運転モードに伴う総費用の得失等を推測・演算して最適な運転モードを選択する。
Invention 16 proposes a method for controlling the entire output utilization system of the present invention. Operation start-up status of cogeneration equipment, exhaust heat temperature and exhaust heat amount, and related electric power, hot water and cold water supply in all future systems, total energy demand (electric power demand: exhaust heat demand such as lighting: Select the optimal operation mode by estimating and calculating the excess and deficiency of each energy amount due to the prediction and the current heat storage amount, etc., and the total cost of the future operation mode, etc. To do.

しかして出力利用システムの稼動、停止を制御する。稼動の場合は出力利用システムでは電力と排熱のどちらの駆動エネルギー源を選択するか、更にはその中で冷凍サイクルに於いて冷却と加熱の同時運転可否判断及び切り替え運転の選択、出力利用システム停止の場合はコージェネレイションシステムの排熱を直接温水として出力させる為の制御、などこれ等の要素全体乃至は其の一部を考察して、利用方式を選択、設定できる制御システムを考えており、さらに使用者が少なくとも電力、給湯、暖房、冷房などの利用優先順位設定及び、又は、商用電力の時間帯別料金に応じ、電力単価の安い時間帯を選択して、モータによる圧縮機駆動方式の優先選択ができるように設定した制御システムを実現する事が使用者の需要形態に適合しようとする本発明のシステムでは最も実用的な技術である。 Thus, the operation and stop of the output utilization system is controlled. In the case of operation, whether to use power or exhaust heat as the drive energy source is selected in the output utilization system. In addition, in the refrigeration cycle, it is judged whether or not simultaneous operation of cooling and heating is possible, and switching operation is selected. Output utilization system In the case of a stop, we consider a control system that can select and set the usage method, considering all or part of these factors, such as control for directly outputting the exhaust heat of the cogeneration system as hot water In addition, the user selects at least a time zone in which the power unit price is low according to the priority setting of usage such as electric power, hot water supply, heating, cooling, etc. It is the most practical technology in the system of the present invention that is intended to meet the user's demand form to realize a control system that is set so that priority selection can be made

発明17では、温熱出力の最大化を狙った今一つの技術を提案している。コージェネレイション装置からの排熱を搬送する熱媒体を水などの液媒体とし、一旦排熱利用熱交換器で放熱してその大半のエネルギーを失い、その温度は低下する。それをさらに温熱出力熱交換器の出口温水と熱交換させ、最終加熱熱源である追加放熱(H4)として放熱させ、請求項10の合計熱量(H3+H2)にさらに加えて熱出力を増加させる事を特徴としたコージェネレイション出力利用システムである。この場合は殆どのケースでコージェネレイション装置の消費エネルギー量以上のエネルギーが、出力利用システムから出力される事が可能になり、高いエネルギー効率を達成する。実施例図2では排熱媒体を温熱出力熱交換器まで管路を延長させる事例を示している。 The invention 17 proposes another technique aimed at maximizing the thermal output. The heat medium that conveys the exhaust heat from the cogeneration apparatus is a liquid medium such as water, and once it is dissipated by the heat exchanger using exhaust heat, most of the energy is lost, and the temperature decreases. Heat exchange with the hot water at the outlet of the heat output heat exchanger is further performed to dissipate heat as additional heat release (H4) as the final heating heat source, and the heat output is further increased in addition to the total heat quantity (H3 + H2) of claim 10. It is a featured cogeneration output utilization system. In this case, in most cases, energy exceeding the energy consumption of the cogeneration apparatus can be output from the output utilization system, and high energy efficiency is achieved. Embodiment FIG. 2 shows an example in which a pipe line is extended from a waste heat medium to a heat output heat exchanger.

発明18は圧縮機の駆動源を適切に選定することを可能にする技術に関する。即ち請求項5に於いて一体シェル内にスクロール翼型又はローリングピストン型膨張機と同型圧縮機さらに電動モータを、圧縮機を駆動できる関係に設置する。しかして圧縮機をモータのみで駆動する場合は、膨張機は請求項5のレリース動作、即ち膨張機のスクロール固定翼全体乃至はそこに設けた開閉通路を移動又は作動させてシリンダ内を外部と連通させ、又ローリングピストンでは高低圧の仕切りブレイドをシリンダ外に押し出して固定して高低圧室の仕切りを開放してしまうなどにより膨張作動を無くす動作を行う。一方膨張機のみで駆動する時は該電動モータの回転ロータは空回りとなるように電源回路出力をオフする
。また膨張機とモータの双方で駆動する時はモータの電源回路を膨張機の駆動力を補うために必要な出力となるように回転数と電圧を制御する。以上により膨張機のみによる駆動
、モータのみによる駆動、更には両者による駆動を切り替えて運転ができるように構成、作動させる具体的な技術が発明された。
The invention 18 relates to a technology that makes it possible to appropriately select a drive source of a compressor. That is, the compressor of the same type as the scroll vane type or rolling piston type expander and the electric motor are installed in the integral shell so as to drive the compressor. Therefore, when the compressor is driven only by the motor, the expander moves the release operation according to claim 5, that is, by moving or operating the entire scroll fixing blade of the expander or the opening / closing passage provided in the expander, so that the inside of the cylinder is set to the outside. In the rolling piston, the high / low pressure partition blade is pushed out of the cylinder and fixed to release the partition of the high / low pressure chamber. On the other hand, when driven by the expander alone, the power circuit output is turned off so that the rotating rotor of the electric motor is idle. Further, when driven by both the expander and the motor, the rotational speed and voltage are controlled so that the motor power supply circuit has an output necessary for supplementing the driving force of the expander. As described above, a specific technique has been invented that can be configured and operated so that the operation can be performed by switching between the drive using only the expander, the drive using only the motor, and the drive using both.

発明19はこの冷媒のリークに対する安全性を高めるための発明である。リークした自然冷媒により火災、毒性などの被害が出る前に、微量なリークの発生を検出する機能を請求項16の制御に盛り込むという技術である。 Invention 19 is an invention for enhancing the safety against the leakage of the refrigerant. This is a technique for incorporating the function of detecting the occurrence of a small amount of leak into the control of claim 16 before the natural refrigerant leaked causes damage such as fire and toxicity.

発明19は本発明の出力利用システムとコージェネレイション装置の夫々の制御の間に
、片方のシステムが異常であり運転停止乃至は運転変更する必要があり、もう一方のシステムもそれに連れて緊急に運転停止乃至は運転変更する必要がある場合に備える技術である。これは冷媒リークの場合も当然包含される。
According to the nineteenth aspect of the present invention, during the control of the output utilization system and the cogeneration apparatus of the present invention, one of the systems is abnormal and it is necessary to stop or change the operation. This is a technology for when it is necessary to stop or change operation. This naturally includes the case of a refrigerant leak.

本発明の利用分野は、コージェネレイション装置と連携したコージェネレイション出力利用システムである。その狙いはコージェネレイション装置の出力と利用者側のエネルギー需要とを常に一致バランスさせ、かつ利用できるエネルギー形態に変換して、コージェネレイション装置の運転率を高め、高いエネルギー効率と、電力と熱を両方同時に出力できるという優れた特性を最大限に利用者の利益、利便性に結びつけるものである。尚且つコンパクトで、簡単なシステムで、地球環境負荷の小さなシステムで、長期信頼性に優れ、実用化に優れたシステムを実現し、現在急速に広がりつつある分散型発電装置の主体となる地域用、業務用、更には家庭用の分散型コージェネレイション装置システムの普及伸張に寄与するものである。 The field of use of the present invention is a cogeneration output utilization system in cooperation with a cogeneration apparatus. The aim is to consistently balance the output of the cogeneration equipment and the energy demand on the user side, and convert it to an energy form that can be used to increase the operation rate of the cogeneration equipment, and to achieve high energy efficiency, power and heat. It combines the excellent characteristics of being able to output both at the same time to the benefit and convenience of the user. In addition, it is a compact, simple system with a low global environmental impact, a system with excellent long-term reliability and excellent practical application. This contributes to the spread and expansion of distributed cogeneration system for business use and home use.

発明1、2、3、はそのエネルギー形態を変換する基本構想技術を提示しており、上記の効果の原理を示している。発明4、5、6、7、16はそれを実現するための具体的な方法、技術を提示している。発明10、11、13、17はエネルギー出力を高め、エネルギー効率を高める具体意的な技術を提示している。 発明9、12、15、は地球環境負荷を低減する新しい冷媒とそのシステム構成を提示している。発明6、8、9、16は本システムで密閉された冷媒回路とそれを内包する一体でコンパクトなユニッを構成する基幹技術を提示している。そして発明14、18、19は本システムを安全で長期的に運転使用可能にするための技術を提供している。 Inventions 1, 2, and 3 present basic concept technologies for converting their energy forms, and show the principle of the above effect. Inventions 4, 5, 6, 7, and 16 present specific methods and techniques for realizing them. Inventions 10, 11, 13, and 17 present specific techniques for increasing energy output and energy efficiency. Inventions 9, 12, and 15 present a new refrigerant and a system configuration for reducing the global environmental load. Inventions 6, 8, 9, and 16 present a basic technology that constitutes a refrigerant circuit hermetically sealed in the present system and an integral and compact unit containing the refrigerant circuit. Inventions 14, 18, and 19 provide techniques for enabling the system to be used safely and for a long time.

これ等により、上記の目的、乃至は前述した課題は改善達成できている。従来、以上に述べた様な効果を総合的に持った技術は無く、また個々の改善効果を持った技術はアイデアとしては散見されるが、それを如何に具体化するか、更に全体のシステムを如何に纏め上げるかという技術は発見する事が出来ない。 As a result, the above objects or the above-mentioned problems can be improved. Conventionally, there is no technology that has the overall effects described above, and technologies that have individual improvement effects are scattered as ideas, but how to materialize them, and the overall system The technique of how to put it together cannot be discovered.

従って、本発明のシステムに置ける具体的な効果は、1、コージェネレイション出力である電力と排熱の両方も、又はどちらでも選択して作動エネルギー源として利用できる技術が提示された。2、コージェネレイション出力を利用する本発明のシステムにより利用者に対し、給湯、暖房、冷房を同時に、又は選択して且つ継続的に利用できる方式と技術が提示された。3、コージェネレイション出力である電力と排熱量に対し、その排熱量に夫々がほぼ同一熱容量となる温熱と冷熱を上記排熱量にプラスして、冷凍サイクルによって出力できる技術が提示された。これはコージェネレイション装置のインプットエネルギー100に対し、出力電力30%、排熱量40%とした場合、冷凍サイクル出力温熱40%
、冷熱35%程度となる。 これらをトータルするとインプットエネルギー100%に対し電力出力も含め145%もの利用可能エネルギーが出力できることになる。(但し、夏で、充分に冷房能力と給湯の需要があるサイトでの一日を想定)
Therefore, a specific effect in the system of the present invention is as follows: 1. A technology that can be used as an operating energy source by selecting both or both of the electric power and the exhaust heat which are cogeneration outputs is presented. 2. A system and technique have been presented that allow users to use hot water supply, heating, and cooling simultaneously or by selecting and continuously using the system of the present invention that utilizes cogeneration output. 3. For the electric power and the amount of exhaust heat that are cogeneration output, a technology that can output by the refrigeration cycle by adding the heat and cold to the amount of exhaust heat to the above-mentioned amount of exhaust heat is added. This is 40% of the refrigeration cycle output heat when the output power is 30% and the exhaust heat quantity is 40% of the input energy 100 of the cogeneration system.
The cooling heat is about 35%. If these are totaled, 145% of usable energy including power output can be output for 100% of input energy. (However, in summer, a day at a site with sufficient cooling capacity and hot water demand is assumed)

このことは集中式発電システム(大規模発電所など)のエネルギー効率が40%以下であることを考慮すると、約3.5倍、さらに従来のコージェネレイションシステムをそのまま利用する現状システムに比較すると約2倍のエネルギー効率が得られる事になる。本発明は、この高いエネルギー効率を実際に実現するための具体的な方式と技術を提示したものである。 Considering that the energy efficiency of centralized power generation systems (such as large-scale power plants) is 40% or less, this is about 3.5 times higher than that of current systems that use conventional cogeneration systems as they are. Double the energy efficiency. The present invention presents specific methods and techniques for actually realizing this high energy efficiency.

以上により、本発明は、前記課題を解決し、かつ、コージェネレイションシステムに連結して使用できるエネルギー効率の高い、且つ実用性の高い出力利用システムを実現するための各種技術を発明提示し、その実用化に貢献できるという効果を有するものである。 As described above, the present invention presents various technologies for solving the above-described problems and realizing an energy efficient and practical output utilization system that can be used by being connected to a cogeneration system. It has the effect that it can contribute to practical use.

以下、本発明の実施形態を、図1〜図5に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は本発明の1つの実施形態のシステム概要全体図であり、コージェネレイションシステム(以下システム1と略称する)、及び本発明になるコージェネレイション出力利用システム(以下、出力利用システム2と略称する)の概要、更にはその内外の各構成要素がどの様に作用しているかを、エネルギーを伴った流れを示す冷媒回路と水回路、及び電力系統を明示する事により示している。図2はその中で出力利用システム2の全体構成と各部分を更に詳細に示したものである。   FIG. 1 is an overall view of the system outline of one embodiment of the present invention. A cogeneration system (hereinafter abbreviated as system 1) and a cogeneration output utilization system according to the present invention (hereinafter abbreviated as output utilization system 2). ), And how each of the internal and external components works is shown by clearly showing the refrigerant circuit and water circuit showing the flow with energy, and the power system. FIG. 2 shows the overall configuration and each part of the output utilization system 2 in more detail.

図3、4はシステム2の重要構成部品として使われるローリングピストンタイプの電動膨張圧縮機の構造の全体構成図と膨張機部分の水平断面図である。この膨張機と圧縮機は公知の技術であるが、これを用いてその膨張圧縮機をどの様に利用し作動させるかという本発明になる新しい細部技術と応用システム技術を示そうとするものである。図5はその内部に、ヘリカルブレイドを円筒状回転体に取り付けた構造の膨張子と圧縮子を設置して
、冷媒の膨張による出力を冷媒の圧縮に必要な動力に利用することにより圧縮と膨張を同時に作動させ、全体システムのエネルギー効率を高める機能と、本発明の全体システムを構成するための冷媒分流の機能との両方を担う冷媒分流器の構造を示す。
3 and 4 are an overall configuration diagram of a structure of a rolling piston type electric expansion compressor used as an important component of the system 2 and a horizontal sectional view of the expander portion. These expanders and compressors are well-known technologies, but they are intended to show the new detailed technology and applied system technology according to the present invention on how to use and operate the expansion compressor using them. is there. In FIG. 5, an expander and a compressor having a structure in which a helical blade is attached to a cylindrical rotating body are installed therein, and the output from the expansion of the refrigerant is used as power necessary for the compression of the refrigerant to compress and expand. The structure of the refrigerant | coolant flow divider which bears both the function which raises the energy efficiency of the whole system, and improves the energy efficiency of the whole system, and the function of the refrigerant | coolant diversion for comprising the whole system of this invention is shown.

システム1が熱電供給システムであるなら如何なる方式でも、本発明の出力利用システム2は組合せが可能であるが、システム1の排熱源能力、排熱源温度、利用者側の需要形態等に併せて出力利用システムは仕様が設定される。即ちシステム1はガスエンジン発電機でも燃料電池でも良いが、ここでは事例としてマイクロタービン発電装置を考える。システム1はコージェネレイション燃料3の供給を受けてそれを消費し、交流電力4(E1)と排熱として100
℃前後の温水5(熱量H1)を出力するものとする。電力4はパワーコンディショナ17により電圧と周波数が調整されて商用電源20に系統連結されると同時に、供給回路18
、21を経て、サイトでの消費電力、例えば照明22、及び出力利用システム2用の電力として供給される。
The output utilization system 2 of the present invention can be combined in any manner as long as the system 1 is a thermoelectric supply system, but the output is combined with the exhaust heat source capacity of the system 1, the exhaust heat source temperature, the demand form on the user side, etc. Specifications are set for the usage system. That is, the system 1 may be a gas engine generator or a fuel cell, but here, a micro turbine power generator is considered as an example. The system 1 receives the cogeneration fuel 3 and consumes it, and the AC power 4 (E1) and exhaust heat 100
It is assumed that warm water 5 (heat quantity H1) of around 0 ° C. is output. The power 4 is adjusted in voltage and frequency by the power conditioner 17 and is systematically connected to the commercial power supply 20, and at the same time, the supply circuit 18
, 21, the power consumption at the site, for example, the lighting 22 and the power for the output utilization system 2 are supplied.

出力利用システム2では100℃の温水5の供給を受けて排熱利用熱交喚器にて、ポンプ27から送られてくる高圧の液体イソブタンが蒸発して1.9MPaの高圧、97℃の高温となった同ガスは電動膨張機9内の膨張機23に達し、これを駆動しながら膨張し、その軸シャフト102に動力を与える。如かして、膨張して圧力が0.78MPaに下がり、同シェル内に吐出されて、冷凍サイクル回路の圧縮機で同一圧力まで圧縮吐出されたガスと合流する。この時、圧縮されたガスの方が過熱されているため、合流したガスは0
.78MPaの飽和温度(55℃)に対し約10℃以上過熱状態(約65℃)になる。
In the output utilization system 2, the supply of hot water 5 at 100 ° C. is received, and the high-pressure liquid isobutane sent from the pump 27 evaporates in the heat exciter using exhaust heat, resulting in a high pressure of 1.9 MPa and a high temperature of 97 ° C. The resulting gas reaches the expander 23 in the electric expander 9, expands while driving the expander, and provides power to the shaft 102. Thus, it expands and the pressure drops to 0.78 MPa, is discharged into the shell, and merges with the gas compressed and discharged to the same pressure by the compressor of the refrigeration cycle circuit. At this time, since the compressed gas is superheated, the combined gas is 0
. It becomes overheated (about 65 ° C.) by about 10 ° C. or more with respect to a saturation temperature of 78 MPa (55 ° C.).

シェル内で合流したガスは温熱出力熱交喚器12において自ら凝縮して液体になりながら40℃の温水を60℃迄加熱する。この温水は出力利用システム2の外部にある温水タンクに送られ、給湯、暖房等に利用される。放熱して液化し、ほぼ飽和温度55℃に冷却された液冷媒、イソブタンは液分流器26にてほぼ50%づつに分流されてその片方が分流器内の圧縮子202により圧縮された後に膨張機冷媒回路7に流れ、排熱利用熱交喚器6に戻り、以下これを繰り返す。実際には分流器内の圧縮子で充分流量が確保できない場合が多く、下流に設けた電動の圧縮ポンプ27を作動させて圧縮液量を補って、必要な圧縮液量を確保する。他の事例で、液分流器内に膨張圧縮用の回転体などを組み込んでいない単なる分流器の場合は、分流器の膨張機冷媒回路側の下流に電動液ポンプを設けて電動モータの動力を使って液冷媒を圧縮し巡回させ、冷凍サイクル側に流れる液冷媒は電動式冷媒制御弁28、29乃至は30に於いて膨張する。 The gas joined in the shell condenses itself in the thermal output heat exchanger 12 and becomes liquid while heating 40 ° C. warm water to 60 ° C. This hot water is sent to a hot water tank outside the output utilization system 2 and used for hot water supply, heating and the like. The liquid refrigerant, isobutane, which is liquefied by heat dissipation and cooled to approximately the saturation temperature of 55 ° C., is divided by 50% by the liquid flow divider 26, and one of them is compressed by the compressor 202 in the flow divider and then expanded. It flows into the machine refrigerant circuit 7, returns to the exhaust heat utilization heat exchanger 6 and repeats this. Actually, there are many cases where a sufficient flow rate cannot be ensured by the compressor in the flow divider, and the electric compression pump 27 provided downstream is operated to supplement the amount of the compressed liquid to ensure the necessary amount of the compressed liquid. In other cases, in the case of a simple flow divider that does not incorporate a rotary body for expansion and compression in the liquid flow divider, an electric liquid pump is provided downstream of the flow divider on the expander refrigerant circuit side to power the electric motor. The liquid refrigerant is used to compress and circulate, and the liquid refrigerant flowing to the refrigeration cycle expands at the electric refrigerant control valves 28, 29 to 30.

一方冷凍サイクル側は、上記の分流器26の膨張子204に流れたイソブタン液は膨張しながら膨張子を駆動し、その下流の電動式冷媒制御弁29に向かい、出力システム2全体の制御指令(図示せず)により制御された制御弁29で流量調整される。その結果冷凍サイクルの各部冷媒圧力、温度等が適正状態に制御される。その後、冷熱出力熱交喚器10へと流れ、冷水11を冷却して蒸発し、圧縮機25に戻り圧縮されてシェル内に吐出され、これを繰り返す。冷水11は出力利用システム外部に設けられた冷熱タンクに蓄えられ、冷房、冷却、徐湿等に利用される。 On the other hand, on the refrigeration cycle side, the isobutane liquid that has flowed to the expander 204 of the flow divider 26 drives the expander while expanding, and moves toward the electric refrigerant control valve 29 downstream of the expander. The flow rate is adjusted by a control valve 29 controlled by an unillustrated). As a result, the refrigerant pressure, temperature, etc. of each part of the refrigeration cycle are controlled to an appropriate state. Then, it flows to the cold output heat exchanger 10, cools the cold water 11 and evaporates, returns to the compressor 25, is compressed and discharged into the shell, and this is repeated. The cold water 11 is stored in a cold tank provided outside the output utilization system, and is used for cooling, cooling, slow humidity, and the like.

上記冷凍サイクル8には室外空気熱交喚器14が冷媒制御弁29と並列に設置されている。この熱交換器はファン(図示せず)により送風される室外空気15と熱交換するように構成されている。 如かして温熱出力が過剰で、冷熱出力が不足している時は、ファンが作動され、弁29は閉じられ、弁28は全開され、弁30は冷媒流量等を調整するように制御されて、室外熱交喚器14を凝縮放熱器として作動させて、温熱を室外空気15に放熱させることにより、温熱出力熱交喚器12の出力を大幅に低減させる事が出来る。 この時排熱源利用熱交喚器を出た冷媒は重量基準で50%前後がガス成分となるように制御されるので、液分流器26の手前で、気液分離気34によりこのガス成分は分離されて、冷媒制御弁28、室外熱交換器14に送られてそこで放熱し、液冷媒となる。 In the refrigeration cycle 8, an outdoor air heat exchanger 14 is installed in parallel with the refrigerant control valve 29. This heat exchanger is configured to exchange heat with outdoor air 15 blown by a fan (not shown). Thus, when the thermal output is excessive and the cold output is insufficient, the fan is operated, the valve 29 is closed, the valve 28 is fully opened, and the valve 30 is controlled to adjust the refrigerant flow rate and the like. Thus, by operating the outdoor heat exchanger 14 as a condenser heat radiator to dissipate the heat to the outdoor air 15, the output of the heat output heat exchanger 12 can be greatly reduced. At this time, the refrigerant that has exited the heat exchanger using the exhaust heat source is controlled so that about 50% of the refrigerant becomes a gas component on a weight basis. Therefore, the gas component is separated by the gas-liquid separation gas 34 before the liquid distributor 26. After being separated, it is sent to the refrigerant control valve 28 and the outdoor heat exchanger 14 where it dissipates heat and becomes liquid refrigerant.

温熱出力が不足し、冷熱出力が過剰、乃至は不要の時は、ファンが作動され、弁29は閉じられ、弁28は冷媒流量等を調整し、弁30は全開されて、熱交換器14を蒸発吸熱器として作動させて、冷熱は室外空気15を冷却する事によって冷熱出力熱交換器の出力を大幅に低減させるか、停止させる事が出来る。この時は室外空気から熱を吸熱し、その分を温熱出力熱交喚器12にて温熱出力する事になる。以上が請求項1、3、4、6、7、9、10、11、13の具体的な事例である。 When the thermal output is insufficient and the cold output is excessive or unnecessary, the fan is operated, the valve 29 is closed, the valve 28 adjusts the refrigerant flow rate, etc., the valve 30 is fully opened, and the heat exchanger 14 Can be operated as an evaporative heat sink, and cooling can cool the outdoor air 15 to significantly reduce or stop the output of the cooling output heat exchanger. At this time, heat is absorbed from the outdoor air, and the heat is output by the heat output heat exchanger 12. The above are specific examples of claims 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 11, and 13.

以上の運転は基本的にシステム1の排熱出力を利用するものであるが、実施例では電動膨張圧縮機9の中に膨張機23、圧縮機25、電動モータ24を一本の軸で駆動できる関係に設置している。これを用いて排熱熱源5と電力16の双方を選択的乃至は同時に利用できるように構成している。これは排熱のみを利用する運転モードから、極端な場合、排熱を利用出来ない場合にも出力電力4乃至は商用電源を用いるモード、乃至は双方を利用するモードなど、種々なエネルギー供給モードを利用して対応する事ができるようにするものである。   The above operation basically uses the exhaust heat output of the system 1, but in the embodiment, the expander 23, the compressor 25, and the electric motor 24 are driven by one shaft in the electric expansion compressor 9. We have established a relationship where we can. By using this, both the exhaust heat source 5 and the electric power 16 can be selectively or simultaneously used. This is an operation mode that uses only exhaust heat, and, in extreme cases, various energy supply modes such as output power 4 or a mode that uses commercial power even when exhaust heat cannot be used, or a mode that uses both. It is to be able to respond using.

従って、排熱出力5が不足したり、その温度が100℃より低下した場合でも温熱と冷熱を出力する必要がある時は、電力16を供給して、冷凍サイクルを充分に稼動させて出力システム2を作動させる事ができる。   Therefore, even when the exhaust heat output 5 is insufficient or the temperature falls below 100 ° C., when it is necessary to output the heat and cold, the power 16 is supplied and the refrigeration cycle is fully operated to output the output system. 2 can be activated.

図3、4の電動膨張圧縮機のローリングピストンタイプの事例が示すように、高圧ガス112は高圧ガス供給ライン110から供給され、シャフト102の中心に設けられたシャフト中心経路118を経由して、シャフトのクランク部に設けられた扇型の高圧ガス供給路(クランク)117、ローラ109に設けられたやはり扇型の高圧ガス供給路(ローラー)116が連通してできる経路を通してシリンダ内側の膨張室内に供給される。クランクが約70度程度回転して、連通路が絶たれ、ガスが供給されなくなった後、膨張シリンダ108内のガスは膨張を続け、シリンダ内容積を拡大しながらクランク及びシャフトを駆動する。膨張完了後にはシリンダ内から矢印に示された様に、膨張圧縮機9ケース内に吐出される。この間シャフト102は圧縮機のローラ109を駆動し冷凍サイクル吸込みライン106から、冷熱出力熱交換器にて蒸発した低圧のガスを圧縮シリンダ114内に吸込み、これを膨張圧縮機9のケース内に吐出する事により冷凍サイクルを作動させる。 As shown in the case of the rolling piston type of the electric expansion compressor of FIGS. 3 and 4, the high-pressure gas 112 is supplied from the high-pressure gas supply line 110 and passes through a shaft center path 118 provided at the center of the shaft 102. An expansion chamber inside the cylinder passes through a path formed by connecting a fan-shaped high-pressure gas supply path (crank) 117 provided in the crank portion of the shaft and a fan-shaped high-pressure gas supply path (roller) 116 provided in the roller 109. To be supplied. After the crank rotates about 70 degrees, the communication path is cut off and the gas is not supplied, the gas in the expansion cylinder 108 continues to expand and drives the crank and shaft while expanding the internal volume of the cylinder. After the expansion is completed, the air is discharged from the cylinder into the expansion compressor 9 case as indicated by the arrow. During this time, the shaft 102 drives the roller 109 of the compressor and sucks the low-pressure gas evaporated in the cold output heat exchanger into the compression cylinder 114 from the refrigeration cycle suction line 106 and discharges it into the case of the expansion compressor 9. To activate the refrigeration cycle.

仮に排熱温度が100℃より低いコージェネレイションシステムを用いる場合は、イソブタンガスの蒸発圧力は1.9MPaより低くなるため、膨張機の駆動力は低下するから
、上記膨張機シリンダのシリンダ内容積を増加させた寸法に設定し、圧縮機シリンダを十分に駆動できるようにする。 これはシステム1の排熱総熱量は同一で、温度が低下した分、温水循環量を増やしているという条件の場合である。
If a cogeneration system having an exhaust heat temperature lower than 100 ° C. is used, the evaporating pressure of isobutane gas is lower than 1.9 MPa, and the driving force of the expander is reduced. The increased dimensions are set so that the compressor cylinder can be driven sufficiently. This is the case where the total heat quantity of exhaust heat of the system 1 is the same, and the amount of hot water circulation is increased by the amount of temperature drop.

膨張機23のみにより圧縮機25を駆動する時は、モータ24のロータ103はシャフトと一体に回転するが、誘導電動機タイプのモータ24の電源は停止させており、ロータ103には回転反力が生じる事も無く、空回りする。逆に、電動モータ24のみで圧縮機25を駆動する時は、膨張機の仕切りブレード115は図の上方に引き上げて固定する。この結果、膨張機シリンダ内で高低圧の仕切りが取り払われたため、クランクとローラが回転してもガスの膨張などは生じないでローラは空回りとなる。また、膨張機と電動モータの双方で駆動する時は電動モータの出力電圧と周波数はインバータ制御装置(図示せず)により調整され、最適な作動状態、即ちトータルの駆動力、回転数、トータルな消費エネルギーの最適状態が得られるよう制御される。このインバータ制御装置が含まれる電源制御装置19はは電源21から供給された電力で作動している。 When the compressor 25 is driven only by the expander 23, the rotor 103 of the motor 24 rotates integrally with the shaft, but the power source of the induction motor type motor 24 is stopped, and the rotor 103 has a rotational reaction force. It doesn't occur and goes around. On the contrary, when the compressor 25 is driven only by the electric motor 24, the partition blade 115 of the expander is pulled upward and fixed. As a result, the high and low pressure partitions are removed from the expander cylinder, so that even if the crank and the roller rotate, gas does not expand and the roller is idle. In addition, when driven by both the expander and the electric motor, the output voltage and frequency of the electric motor are adjusted by an inverter control device (not shown), and the optimum operating state, that is, the total driving force, the rotational speed, the total Control is performed to obtain an optimum state of energy consumption. A power supply control device 19 including the inverter control device is operated with electric power supplied from a power supply 21.

他方、膨張機として極めて特性の優れたスクロール型の電動膨張圧縮機についても、蒸発させた高圧ガスによる膨張機駆動に関しては幾つかの関連する考案が提示されているが、以上と同様に、電動モータと膨張機をお互いに補完しあって駆動制御するという技術とそのための具体的な施策が不明瞭であるため従来実現化できないでいたが、軸による連結構造、その作動制御、レリース機能などは上記と同じ考え方である。以上が請求項2、5、18の具体的な事例である。 On the other hand, with regard to the scroll type electric expansion compressor having extremely excellent characteristics as an expander, several related devices have been proposed for driving the expander by the evaporated high pressure gas. The technology of driving and controlling the motor and expander complementing each other and the specific measures for that are unclear and could not be realized in the past, but the shaft connection structure, its operation control, release function, etc. The same idea as above. The above are specific examples of claims 2, 5, and 18.

図2から知れるように、本事例の出力利用システム2は一体のユニット内に構成されており、冷媒回路はすべてこの中に収納されている。かつその外界との出入り作用は排熱源用の温水5、電源制御器用の電源21、冷水出力11、温水出力13、室外空気15及びシステム1との信号ライン(図示せず)のみである。従って現地での据付工事では冷媒回路に関わる作業は必要がなく、上記水回路、電源回路の接続調整、送風路に関わる作業のみである。 As can be seen from FIG. 2, the output utilization system 2 of this example is configured in an integral unit, and all the refrigerant circuits are accommodated therein. In addition, only the hot water 5 for the exhaust heat source, the power source 21 for the power supply controller, the cold water output 11, the hot water output 13, the outdoor air 15 and the signal line (not shown) to the system 1 have the effect of entering and leaving the outside. Accordingly, the installation work at the site does not require any work related to the refrigerant circuit, but only the work related to the water circuit and the connection adjustment of the power supply circuit and the air flow path.

この簡略化され、一体化された全体のシステムを実現することにより、顧客の年間の熱需給に柔軟に対応できて、且つ極めて高い熱効率のシステムを提供できるだけでなく、出力利用システム全体の一括製造と出荷による高い品質と安いコストを可能にし、現地での据え付け作業安全に課題がある自然冷媒の採用を可能にし、現地据付工事の品質を高め、費用を削減し、且つ長期間の使用に耐えるシステムを実現している。これが請求項6、8、9、12、15の具体的な事例である。 By realizing this simplified and integrated overall system, not only can it flexibly respond to the customer's annual heat supply and demand, but also provide an extremely high thermal efficiency system, as well as batch production of the entire output utilization system Enables high quality and low cost by shipping, enables the use of natural refrigerants that have problems with local installation work safety, improves the quality of local installation work, reduces costs, and withstands long-term use The system is realized. This is a specific case of claims 6, 8, 9, 12, and 15.

図2により熱エネルギーの移動を説明する。出力利用システム2により出力される温水出力13に与えられた熱エネルギー(H5)は、出力利用システム2が基準運転(電動膨張圧縮機9は膨張機のみで駆動、かつ室外空気ファン15は停止)をする時は、トータル熱量の等式から、コージェネレイション排熱出力(H1)と冷熱出力熱交喚器での冷水出力(C1)の和と成る。(H5=H1+C1) The movement of thermal energy will be described with reference to FIG. The thermal energy (H5) given to the hot water output 13 output by the output utilization system 2 is the standard operation by the output utilization system 2 (the electric expansion compressor 9 is driven only by the expander and the outdoor air fan 15 is stopped). Is the sum of the cogeneration exhaust heat output (H1) and the cold water output (C1) at the cold output heat exchanger from the equation of total heat. (H5 = H1 + C1)

ここで、システム1の排熱出力温度が100℃以上に高温度で、膨張機冷媒回路の冷媒の圧力が高く、従って膨張動力を充分に保有している場合は、温熱出力熱交喚器の冷媒凝縮圧力を圧力比的にほぼ中間点に設定し、膨張機冷媒回路と冷凍サイクルを循環する双方の冷媒流量をほぼ等しくとれば膨張機23の膨張出力仕事と圧縮機25の圧縮仕事がほぼ等しくなり全体システムが成立する。この時は膨張回路と冷凍サイクルの蒸発熱量に相当する(H1)と(C1)はほぼ等しい熱量となる。このため結果的に(H5)は(H1)の約2倍の熱量を得る事が出来る。このときそれらの温度はH1が100℃、H5は60℃を想定している。 Here, when the exhaust heat output temperature of the system 1 is as high as 100 ° C. or higher and the refrigerant pressure in the expander refrigerant circuit is high, and therefore the expansion power is sufficiently retained, If the refrigerant condensing pressure is set to a substantially intermediate point in terms of pressure ratio, and the refrigerant flow rates of both the expander refrigerant circuit and the refrigeration cycle are made substantially equal, the expansion output work of the expander 23 and the compression work of the compressor 25 are almost equal. It becomes equal and the whole system is established. At this time, (H1) and (C1) corresponding to the heat of evaporation of the expansion circuit and the refrigeration cycle are substantially equal to each other. Therefore, as a result, (H5) can obtain approximately twice as much heat as (H1). At this time, as for those temperatures, H1 assumes 100 degreeC and H5 assumes 60 degreeC.

この場合、システム1の出力をそのまま温熱出力として利用する場合の出力湯量と出力利用システム2の出力湯量の比は約4倍になる。家庭用、オフィス用、店舗用には60℃の温水で充分な場合が多く、システム1から直接出力する場合でも100℃の温水は結局60℃程度に水道水で温度調整される。従って、互いに等しい温度(60℃)に直して比較すると、使用できる出力湯量の比は約2倍になる。(H5=2*H1) 即ち、コージェネレイションシステム単独の場合に比べ2倍の加熱量が得られる。この実施例でわかる通り、本発明は温水と暖房の温熱需要の大きなサイト、及び冷水と冷房の冷熱需要の生じるサイトで有効である。当然、そんな需要が大きくないサイトの場合には本出力利用システム2はコージェネレイションシステムの運転時間の軽減をもたらし、結果的には燃料消費量を低減できるものである。 In this case, the ratio of the amount of output hot water when the output of the system 1 is directly used as the thermal output and the amount of output hot water of the output utilization system 2 is about four times. For home use, office use, and store use, hot water of 60 ° C. is often sufficient, and even when output directly from the system 1, the temperature of 100 ° C. hot water is eventually adjusted to about 60 ° C. with tap water. Therefore, when the comparison is made with the same temperature (60 ° C.), the ratio of the amount of available hot water that can be used is approximately doubled. (H5 = 2 * H1) That is, twice the heating amount can be obtained as compared with the case of the cogeneration system alone. As can be seen from this embodiment, the present invention is effective at a site where there is a large demand for hot water and heating, and a site where there is a demand for cold water and cooling. Naturally, in the case of a site where such demand is not large, the present output utilization system 2 can reduce the operation time of the cogeneration system, and as a result, the fuel consumption can be reduced.

熱出力(H5)を増加させ、さらに熱効率を向上させる方法として、図2に見れるように、排熱源温水出力5を排熱源利用熱交喚器6で放熱した後、更に温熱出力熱交喚器12で放熱する加熱回路32を追加して(H1)の総量を増加させる方法がある。この方法は又、システムの排熱温度が90℃、更に80℃に低下した時も温熱出力温水温度を目標の60℃に保つ上でも友好である。さらに分流器26に於いて、冷凍サイクル8へ向かう膨張すべき冷媒の膨張エネルギーを、膨張機回路へ向かう圧縮すべき冷媒の圧縮動力に利用する方法がある。更にH5を増加させる方法として、冷水出力の減少が許されるなら、室外空気熱交喚器を蒸発器として作動させて、室外空気から熱を受け取る方法がある。 As a method for increasing the heat output (H5) and further improving the heat efficiency, as shown in FIG. 2, after the heat from the exhaust heat source hot water output 5 is radiated by the heat exchanger 6 using the exhaust heat source, the heat output heat exchanger is further heated. There is a method of increasing the total amount of (H1) by adding a heating circuit 32 that dissipates heat at 12. This method is also friendly in maintaining the hot output hot water temperature at the target 60 ° C. even when the exhaust heat temperature of the system drops to 90 ° C. and further to 80 ° C. Further, in the flow divider 26, there is a method in which the expansion energy of the refrigerant to be expanded toward the refrigeration cycle 8 is used as the compression power of the refrigerant to be compressed toward the expander circuit. Further, as a method for increasing H5, if a decrease in the chilled water output is allowed, there is a method of receiving heat from the outdoor air by operating the outdoor air heat exchanger as an evaporator.

液冷媒のポンプ(液圧縮機)としては、スクロール式、ローリングピストン式、本事例のヘリカルブレイド式、ギヤ式等の公知のものがある。本事例では液圧縮機と液膨張機をその内部に合わせ持った分流器26を1つのエネルギー効率向上の切り札となる発明として提案している。冷凍サイクルに於ける液の膨張過程でその膨張エネルギーを吸収し、膨張後の液ガス冷媒のエンタルピーを低下させて冷凍能力を増大させ、同時にそのエネルギーを膨張機冷媒回路7の液圧縮エネルギーに利用して、液ポンプ27の駆動動力として使われる電動モータの消費電力を低減させる事ができ、一石二鳥のエネルギー効率改善効果が望める。 As the liquid refrigerant pump (liquid compressor), there are known ones such as a scroll type, a rolling piston type, a helical blade type, and a gear type in this case. In this case, a flow divider 26 having a liquid compressor and a liquid expander inside is proposed as an invention that serves as a trump card for improving energy efficiency. The expansion energy is absorbed during the expansion process of the liquid in the refrigeration cycle, and the enthalpy of the expanded liquid gas refrigerant is decreased to increase the refrigerating capacity. At the same time, the energy is used for the liquid compression energy of the expander refrigerant circuit 7. Thus, the power consumption of the electric motor used as the driving power for the liquid pump 27 can be reduced, and the energy efficiency improvement effect of two birds with one stone can be expected.

分流器26は、その膨張圧縮部の寸法形状設定により分流比率はおよそ決まってしまうことになる。この実施例の分流器では図5のように圧縮子と膨張子として、シリンダ内壁に外周を接触させながら、自らは回転せずに公転するヘリカル翼付き円筒状ロータを用いている。それはロータにヘリカル状に成形した連続した溝に樹脂製のヘリカル翼を入れ込んで巻き付けた所謂ヘリカル圧縮機・膨張機を用い、その翼間ピッチ寸法の設定によりその液分流比は50%/50%に設定されている。 The diversion ratio of the diverter 26 is roughly determined by the size and shape of the expansion / compression portion. In the shunt of this embodiment, as shown in FIG. 5, a cylindrical rotor with a helical blade that revolves without rotating itself while contacting the outer periphery with the inner wall of the cylinder is used as a compressor and an expander. It uses a so-called helical compressor / expander, in which helical blades made of resin are wound around continuous grooves formed in a helical shape on the rotor, and the liquid flow ratio is 50% / 50 depending on the setting of the pitch dimension between the blades. % Is set.

従って、システム1の排熱温度が低下したり、利用システム2の出力冷水温度が低下した場合等は温熱出力温度は低下し、前述の60℃より低くなってしまう。この出力温度が低下した状態でもこれを維持、継続するには冷媒回路の調整が必用であり、その為には電動液圧縮ポンプ27を作動させ、適正な分流割合となるように圧縮側流量を増加させて冷媒回路の作動状態を調整する。液圧縮ポンプ27は電動モータで駆動されたギヤポンプで、システム1の排熱温度が90℃以下に低下した場合などに有効に使用される。以上が請求項10、11、13の具体的な事例である。 Therefore, when the exhaust heat temperature of the system 1 decreases or when the output chilled water temperature of the utilization system 2 decreases, the thermal output temperature decreases and becomes lower than the above-described 60 ° C. In order to maintain and continue this output temperature even when the output temperature is lowered, it is necessary to adjust the refrigerant circuit. For this purpose, the electric liquid compression pump 27 is operated, and the compression-side flow rate is adjusted so as to obtain an appropriate diversion ratio. Increase the operating condition of the refrigerant circuit. The liquid compression pump 27 is a gear pump driven by an electric motor, and is effectively used when the exhaust heat temperature of the system 1 is lowered to 90 ° C. or less. The above are specific examples of claims 10, 11, and 13.

本実施例を具体化する上で二つの課題がある。膨張機23の潤滑とそれによる故障、磨耗の防止、及び自然冷媒の漏れへの対応である。膨張機23のシリンダ内部は高圧ガスが内在し、高圧、高温度であることからこれを潤滑する潤滑油の広範囲な温度特性(100℃で動粘度7.0mm/s以上で、流動点が−25℃以下)と、劣化し難い特性が必要である。とともに、その潤滑油111を如何に高圧状態のシリンダの摺動部分に供給するかが大きな課題である。構造が簡単で確実な方法として請求項14の技術を発明したもので、その具体例は潤滑油パイプ31の設置によって示される。これは潤滑油が凝縮器である温水出力熱交喚器12を経由した場合はその凝縮性能の低下をきたすためそれをバイパスさせるという優位点があり、膨張機23は勿論、液圧縮ポンプ27をも潤滑してかつ摺動部分のオイルシール機能により圧縮特性を安定させる効果をも生じ、膨張機冷媒回路7が作動している限り潤滑油は確実に循環される。 There are two problems in realizing this embodiment. This corresponds to the lubrication of the expander 23 and the failure, wear prevention, and response to natural refrigerant leakage. The cylinder of the expander 23 contains a high-pressure gas, and has a high pressure and a high temperature. Therefore, a wide range of temperature characteristics of the lubricating oil for lubricating it (with a kinematic viscosity of 7.0 mm / s or more at 100 ° C. and a pour point of − 25 degrees C or less) and the characteristic which is hard to deteriorate is required. At the same time, how to supply the lubricating oil 111 to the sliding portion of the cylinder in a high pressure state is a big problem. The technique of claim 14 is invented as a simple and reliable method, and a specific example thereof is shown by the installation of the lubricating oil pipe 31. This has the advantage of bypassing the lubricating oil when it passes through the hot water output heat exchanger 12 which is a condenser, so that the condensation performance is lowered. In addition, the effect of stabilizing the compression characteristics by the oil seal function of the sliding portion is also produced, and the lubricating oil is reliably circulated as long as the expander refrigerant circuit 7 is operating.

自然冷媒はフロン冷媒と違い地球環境負荷の点では優れているが、身近な問題として圧力が高い、可燃性、爆発性、人体への毒性などにより取り扱い上で基本的な課題がある。 本発明では、出力利用システム2として前術の優位点にもとづいてこれを選択をしており
、後述の問題には基本的対応技術を発明してこれにより解決している。 即ち図2の実施例から知れる通り冷媒回路は密閉型であり、システムは一体の筐体ユニットに収納され現地での据付作業での漏れに関する影響は無い構想である。また電源制御器には請求項19に示される如く、種々な安全監視、非常時の具体的な対応が盛り込まれている。また、利用側、特に室内側とは分離された室外空間に設置され、温冷熱は水などにより搬送するという基本構想の上に具体化されている。本発明提案の出力利用システム2の全体概念とその実現に関わる多くの事項は以上の基本技術構想を踏まえた上で組み立てられている。
Natural refrigerants, unlike fluorocarbon refrigerants, are superior in terms of environmental impact, but there are basic problems in handling due to high pressure, combustibility, explosiveness, and toxicity to human bodies as familiar problems. In the present invention, the output utilization system 2 is selected based on the superiority of the previous operation, and a basic countermeasure technique is invented to solve the problems described later. That is, as can be seen from the embodiment of FIG. 2, the refrigerant circuit is a hermetically sealed type, and the system is housed in an integral housing unit and has no influence on leakage in installation work on site. Further, as shown in claim 19, the power supply controller incorporates various safety monitoring and specific measures in case of emergency. In addition, it is installed in an outdoor space separated from the use side, particularly the indoor side, and is embodied on the basic concept of transporting hot and cold heat by water or the like. The overall concept of the output utilization system 2 proposed by the present invention and many items related to its realization are assembled based on the basic technical concept described above.

本発明の実施形態を利用したコージェネレイション全体システム概要図Overview of the entire cogeneration system using an embodiment of the present invention 本発明の実施形態を示す出力利用システム概要図Output utilization system schematic diagram showing an embodiment of the present invention 同システムに使われる電動膨張圧縮機の構造概略図Schematic diagram of the electric expansion compressor used in the system 同膨張機部分の水平断面構造概略図Horizontal cross-sectional structure schematic of the expander part 同システムに使われる液分流器の構造概略図Schematic structure of the liquid shunt used in the system

符号の説明Explanation of symbols

1 コージェネレイション装置(システム1)
2 コージェネレイション出力利用システム(出力利用システム2)
3 コージェネレイション燃料
4 電気出力
5 排熱源温水出力
6 排熱利用熱交喚器
7 膨張機冷媒回路
8 冷凍サイクル
9 電動膨張圧縮機
10 冷熱出力熱交喚器
11 冷水
12 温熱出力熱交喚器
13 温水
14 室外熱交喚器
15 室外空気
16 モータ電源
17 電力変換装置
18 出力電力逆潮流ポイント
19 電源制御器
20 商用ライン電源
21 供給電源
22 照明灯
23 膨張機
24 モータ
25 圧縮機
26 液分流器(膨張子、圧縮子含む)
27 液ポンプ
28 電動式冷媒制御弁(温冷熱出力用)
29 電動式冷媒制御弁(温熱出力用)
30 電動式冷媒制御弁(冷熱出力用)
31 潤滑油パイプ
32 加熱回路
33 冷媒回路(7及び8から成る)
101モータステータ
102シャフト
103モータロータ
104吐出管
105フレイム
106冷凍サイクル吸込み管
107シェル
108膨張機シリンダ
109ローラー
110高圧ガス供給ライン
111潤滑油
112高圧ガス
113膨張機圧縮機センターフレイム
114圧縮機シリンダ
115仕切りブレイド
116高圧ガス供給ポイント(ローラ)
117高圧ガス供給ポイント(クランク)
201液冷媒入り口
202回転体(圧縮子)
203高圧液出口
204回転体(膨張子)
205低圧冷媒出口
206ヘリカルブレイド
207シャフト(液分流器)
208クランク
1 Cogeneration system (System 1)
2 Cogeneration output utilization system (Output utilization system 2)
3 Cogeneration Fuel 4 Electric Output 5 Waste Heat Source Hot Water Output 6 Waste Heat Utilization Heat Exchanger 7 Expander Refrigerant Circuit 8 Refrigeration Cycle 9 Electric Expansion Compressor 10 Cold Output Heat Exchanger 11 Cold Water 12 Heat Output Heat Exchanger 13 Hot water 14 Outdoor heat exchanger 15 Outdoor air 16 Motor power supply 17 Power conversion device 18 Output power reverse power flow point 19 Power supply controller 20 Commercial line power supply 21 Supply power supply 22 Illuminating lamp 23 Expander 24 Motor 25 Compressor 26 Liquid shunt ( (Including expander and compressor)
27 Liquid pump 28 Electric refrigerant control valve (for heating / cooling output)
29 Electric refrigerant control valve (for thermal output)
30 Electric refrigerant control valve (for cold output)
31 Lubricating oil pipe 32 Heating circuit 33 Refrigerant circuit (consisting of 7 and 8)
101 motor stator 102 shaft 103 motor rotor 104 discharge pipe 105 flame 106 refrigeration cycle suction pipe 107 shell 108 expander cylinder 109 roller 110 high pressure gas supply line 111 lubricating oil 112 high pressure gas 113 expander compressor center flame 114 compressor cylinder 115 partition blade 116 high pressure gas supply point (roller)
117 High pressure gas supply point (crank)
201 liquid refrigerant inlet 202 rotating body (compressor)
203 High pressure liquid outlet 204 rotator (expander)
205 Low pressure refrigerant outlet 206 Helical blade 207 shaft (liquid shunt)
208 cranks

Claims (19)

冷媒回路を備え、コージェネレイション装置の出力である排熱で加熱して得た高温高圧ガス冷媒を膨張させる膨張機を含む膨張機冷媒回路と、該膨張機の出力により駆動される圧縮機を含む冷凍サイクルにより前記冷媒回路を構成したシステムに於いて、
前記膨張機冷媒回路における膨張後の冷媒の凝縮熱と前記冷凍サイクルにおける圧縮後の冷媒の凝縮熱の双方から温熱を、前記冷凍サイクルの冷媒の蒸発熱から冷熱を出力するように構成し、温熱と冷熱を同時に出力するモードと、前記冷凍サイクルの回路を切り替えて温熱と冷熱の内一方の熱を室外空気と熱交換させ、他方の熱のみを出力させるモードとを選択できるように構成した事を特徴としたコージェネレイション出力利用システム。
An expander refrigerant circuit including an expander that expands a high-temperature high-pressure gas refrigerant obtained by heating with exhaust heat that is an output of a cogeneration apparatus, and a compressor that is driven by the output of the expander In a system in which the refrigerant circuit is configured by a refrigeration cycle,
It is configured to output warm heat from both the condensation heat of the refrigerant after expansion in the expander refrigerant circuit and the condensation heat of the refrigerant after compression in the refrigeration cycle, and to output cold heat from the evaporation heat of the refrigerant in the refrigeration cycle. And a mode that outputs cold and heat at the same time, and a mode that switches the circuit of the refrigeration cycle so that one of the heat and cold heat is exchanged with outdoor air and only the other heat is output. Cogeneration output utilization system characterized by
冷媒回路を備え、コージェネレイション装置の出力である排熱で加熱して得た高温高圧ガス冷媒を膨張させる膨張機を含む膨張機冷媒回路と、該膨張機の出力により駆動される圧縮機を含む冷凍サイクルにより前記冷媒回路を構成したシステムに於いて、
前記膨張機の出力のみで無く、コージェネレイション出力電力又は商用電力を利用した電動モータの出力により前記圧縮機を駆動することも出来るように構成し、 前記膨張機の出力または前記電動モータの出力のいずれかまたはその双方を併せた出力、の内一つを適宜選択して前記圧縮機を駆動し、それにより前記冷凍サイクルを作動できるようにした事を特徴としたコージェネレイション出力利用システム。
An expander refrigerant circuit including an expander that expands a high-temperature high-pressure gas refrigerant obtained by heating with exhaust heat that is an output of a cogeneration apparatus, and a compressor that is driven by the output of the expander In a system in which the refrigerant circuit is configured by a refrigeration cycle,
The compressor can be driven not only by the output of the expander but also by the output of an electric motor using cogeneration output power or commercial power, and the output of the expander or the output of the electric motor A cogeneration output utilization system characterized in that the compressor is driven by appropriately selecting one of the outputs obtained by combining either or both, thereby enabling the refrigeration cycle to operate.
請求項2に示した圧縮機駆動方法の内1つを選択し、かつ請求項1に示した温熱と冷熱に関する出力モードの内一つを選択し、それら二つの選択を自由に組み合わせた選択モードで作動する事ができるようにし、その選択モードを必要に応じて変更乃至は継続しつつ作動させる事を特徴としたコージェネレイション出力利用システム。 A selection mode in which one of the compressor driving methods shown in claim 2 is selected and one of the output modes related to heating and cooling shown in claim 1 is selected and the two options are freely combined. The cogeneration output utilization system is characterized in that the system can be operated with the selection mode changed or continued as necessary. 前記冷媒回路の作動媒体として臨界点温度が90℃以上であり、60℃における飽和圧力が4.0MPa以下である冷媒を用いるとともに、コージェネレイション排熱搬送流体と前記冷媒との熱交換を行う排熱利用熱交換器に於いて、両流体を対向流の形で流動させ、熱交換を促進させた事を特徴とした請求項1、2、3の何れか1項記載のコージェネレイション出力利用システム。 As the working medium of the refrigerant circuit, a refrigerant having a critical point temperature of 90 ° C. or higher and a saturation pressure at 60 ° C. of 4.0 MPa or lower is used, and exhaust gas for exchanging heat between the cogeneration exhaust heat transfer fluid and the refrigerant is used. The cogeneration output utilization system according to any one of claims 1, 2, and 3, wherein in the heat utilization heat exchanger, both fluids are made to flow in the form of a counter flow to promote heat exchange. . 前記コージェネレイション装置の排熱出力のみでなく、該コージェネレイション装置の電力出力又は商用電力を前記圧縮機駆動用動力源として利用する目的のため、前記膨張機と前記圧縮機を設置したシェル内にさらに前記電動モータを設置し、前記膨張機は膨張モードと回転してもガスが膨張や圧縮されないレリースモードに切り替えられる様に構成し、また前記電動モータは誘導電動モータを採用して且つ投入電力をオンオフできるよう構成し、前記膨張機のみ、乃至は該膨張機と前記電動モータの双方、乃至は該電動モータのみの何れかの方法を選択して前記圧縮機を駆動するように制御する事を特徴とした請求項2及び3の何れか1項に記載のコージェネレイション出力利用システム For the purpose of using not only the exhaust heat output of the cogeneration apparatus but also the power output or commercial power of the cogeneration apparatus as a power source for driving the compressor, the expander and the compressor are installed in a shell. Furthermore, the electric motor is installed, the expander is configured to be switched to a release mode in which gas is not expanded or compressed even when rotated in the expansion mode, and the electric motor employs an induction electric motor and the input power It is configured so that the compressor can be driven by selecting either the expander alone, or both of the expander and the electric motor, or only the electric motor. The cogeneration output utilization system according to any one of claims 2 and 3, wherein 前期冷媒回路を一体の筐体ユニット内に設けて、それを外部と連通しない所謂密閉型閉回路とし、その回路上に設けられた冷媒凝縮熱を放熱する温熱出力熱交喚器と、前記冷媒回路中の前記冷凍サイクル内に設けられ冷媒蒸発熱で冷却する冷熱出力熱交換器とにより温熱及び冷熱を出力させ、それらの熱を非可燃性、非毒性の自然熱媒体である水、炭酸ガス等により、ユニット外に設けた温冷熱を貯留又は利用する機体又は装置まで熱搬送させる事により冷房及び暖房及び給湯及び冷却の何れかまたはそれらを組み合わせて実現する事を特徴とした請求項1、2、3、4及び5の何れか1項に記載のコージェネレイション出力利用システム The refrigerant circuit in the previous period is provided in an integral casing unit, and is a so-called closed closed circuit that does not communicate with the outside, and a thermal output heat exchanger that dissipates the heat of refrigerant condensation provided on the circuit, and the refrigerant Heat and cold are output by a cold output heat exchanger provided in the refrigeration cycle in the circuit and cooled by refrigerant evaporative heat, and the heat and water are nonflammable and nontoxic natural heat medium such as water and carbon dioxide By implementing heat transfer to a machine body or device that stores or uses hot / cold heat provided outside the unit, etc., it is realized by any one of cooling, heating, hot water supply and cooling, or a combination thereof. The cogeneration output utilization system according to any one of 2, 3, 4, and 5 前期冷凍サイクルには前記温熱出力熱交喚器、前記冷熱出力熱交換器を設けるとともに双方の熱交換器の冷媒回路上の中間に室外空気と熱交換する空気熱交喚器を設置して、其の前後の制御弁等を制御する事により該空気熱交換器の温度を変更及び調整し、その機能を、外気への放熱、外気からの吸熱、及び熱交換無しの3通りに切り替えて、前記冷凍サイクルの冷却能力、加熱能力を調整可能にし、且つシステムとして夫々冷熱のみ、温熱のみ、温熱と冷熱双方の3通りのモードを切り替えて出力できるようにした事を特徴とする請求項1、2、3、5、6の何れか1項に記載のコージェネレイション出力利用システム。 In the first refrigeration cycle, the thermal output heat exchanger, the cold output heat exchanger are installed, and an air heat exchanger that exchanges heat with outdoor air is installed in the middle of the refrigerant circuit of both heat exchangers, Change and adjust the temperature of the air heat exchanger by controlling the front and back control valves, etc., switching its function to three ways: heat release to the outside air, heat absorption from the outside air, and no heat exchange, The cooling capacity and heating capacity of the refrigeration cycle can be adjusted, and the system can output by switching only three types of modes, that is, only cold heat, only warm heat, and both warm and cold, respectively. The cogeneration output utilization system according to any one of 2, 3, 5, and 6. 前記冷媒回路及びそれを構成する部品、即ちコージェネレイション装置の排熱を膨張機冷媒回路に伝熱する前記排熱利用熱交換器、請求項4、5に記載された前記膨張圧縮機又は電動膨張圧縮機、前記冷媒回路から温熱を出力する前記温熱出力熱交喚器、前記冷凍サイクルに設けられ室外空気と熱交換する前記室外空気熱交喚器、前記冷凍サイクルから冷熱を出力させる前記冷熱出力熱交換器、等全ての部品を一体の冷媒回路として一体の筐体ユニットの内に組み込み、且つ前記冷媒回路全体を一体の材料とそれらのロー付け、熔接による接合部のみによって構成し、即ち機械的結合部を持たない構造とした事を特徴とする請求項1、2、3、4、5、6及び7の何れか1項に記載のコージェネレイション出力利用システム。 6. The exhaust heat utilization heat exchanger for transferring heat to the expander refrigerant circuit, the expansion compressor or the electric expansion according to claim 4 or 5, wherein the refrigerant circuit and components constituting the refrigerant circuit, that is, the heat generated by the cogeneration apparatus are transferred to the expander refrigerant circuit. The compressor, the thermal output heat exchanger that outputs the heat from the refrigerant circuit, the outdoor air heat exchanger that is provided in the refrigeration cycle and exchanges heat with the outdoor air, and the cold output that outputs the cold from the refrigeration cycle All parts such as a heat exchanger are incorporated into an integral housing unit as an integral refrigerant circuit, and the entire refrigerant circuit is configured only by an integral material and their brazing and welding joints, that is, a machine. The cogeneration output utilization system according to any one of claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, and 7, wherein the system does not have a mechanical coupling portion. 前記膨張機冷媒回路と前記冷凍サイクル内の循環媒体として同一の冷媒を用い、さらに前記膨張機、前記圧縮機とを一体の軸で連結した状態で前記シェル内に設置し、前記膨張機と前記圧縮機から膨張後と圧縮後のガス冷媒を前記シェル内に夫々吐出させて合流させ、それを一体で前記シェルから外部へ導き、前記温熱出力熱交換器で双方の凝縮熱を放熱させて、温熱出力させた後、液分流器で前記膨張機冷媒回路と前記冷凍サイクルに分流するまでの間を一体の冷媒回路で構成した事を特徴とした請求項4、5、6、7、8の何れか1項に記載のコージェネレイション出力利用システム。   The same refrigerant is used as a circulation medium in the expander refrigerant circuit and the refrigeration cycle, and the expander and the compressor are installed in the shell in a state of being connected by an integral shaft, and the expander and the The expanded and compressed gas refrigerant from the compressor is discharged into the shell and joined together, and it is led integrally from the shell to the outside, and both heats of condensation are radiated by the thermal output heat exchanger, 9. The system according to claim 4, 5, 6, 7, or 8, wherein a portion between the output of the heat and the branching of the expander refrigerant circuit and the refrigeration cycle by a liquid flow divider is an integrated refrigerant circuit. The cogeneration output utilization system according to any one of the above. 前記液分流器に於いて、前記冷凍サイクル側に向かう冷媒から冷媒膨張による動力を回収し、且つそれを膨張機冷媒回路側に向かう冷媒を圧力上昇させる動力に利用するために、膨張子及び圧縮子として作動する二つ回転体を連結してハウジング内に保有した構造の膨張圧縮分流器を用い、それにより前記膨張機冷媒回路と前記冷凍サイクルとに分流することを特徴とした請求項9に記載のコージェネレイション出力利用システム。 In the liquid diverter, an expander and a compressor are used to recover power from refrigerant expansion from the refrigerant toward the refrigeration cycle and to use it as power for increasing the pressure of the refrigerant toward the expander refrigerant circuit. 10. An expansion / compression diverter having a structure in which two rotating bodies operating as a child are connected and held in a housing is used, thereby diverting to the expander refrigerant circuit and the refrigeration cycle. Cogeneration output utilization system described. 前記膨張子、前記圧縮子としての前記回転体を組み込んだ前記液分流器の下流の前記膨張機冷媒回路側の回路に前記液ポンプを設置して、必要により前記圧縮子の圧縮機能を補完すべく作動させる、乃至は、内部に作動する回転体を持たない液分流器を用いて、その下流の前記膨張機冷媒回路側の回路に前記液ポンプを設置して、該液ポンプのみで液冷媒を圧縮作動させる事を特徴とした請求項9、10の何れか1項に記載のコージェネレイション出力利用システム。 The liquid pump is installed in a circuit on the side of the expander refrigerant circuit downstream of the liquid flow divider incorporating the rotating body as the expander and the compressor, and complements the compression function of the compressor as necessary. The liquid pump is installed in a circuit on the side of the expander refrigerant circuit downstream thereof using a liquid shunt that does not have a rotating body that operates inside, and the liquid refrigerant is formed only by the liquid pump. The cogeneration output utilization system according to any one of claims 9 and 10, wherein the system is compressed. 前記冷媒回路の内部を流通する冷媒に地球温暖化係数即ちGWP値が150より小さな、所謂自然冷媒などの冷媒、即ち塩素の含有量がゼロで、フッ素の含有分子量が水素のそれより少ない冷媒で、炭素、水素、窒素等を主構成成分とする冷媒を用いた事を特徴とした請求項4、5、6、7、8、9の何れか1項に記載のコージェネレイション出力利用システム。 The refrigerant circulating in the refrigerant circuit is a so-called natural refrigerant having a global warming potential, that is, a GWP value of less than 150, that is, a refrigerant having a chlorine content of zero and a fluorine-containing molecular weight of less than that of hydrogen. The cogeneration output utilization system according to any one of claims 4, 5, 6, 7, 8, and 9, wherein a refrigerant mainly comprising carbon, hydrogen, nitrogen, or the like is used. 前記膨張機冷媒回路で加熱されて生じた高圧ガス冷媒が自ら膨張して前記膨張機を駆動した後前記シェル内に吐出された冷媒ガスと、前記冷凍サイクル内で前記圧縮機で圧縮されて昇圧された後に前記シェル内に吐出された冷媒ガスが、一緒に前記シェルを出て前記温熱出力熱交換器で凝縮する事により放熱出力した温熱を温水などにより出力させる事を特徴とする請求項5、9の何れか1項記載のコージェネレイション出力利用システム。 The high-pressure gas refrigerant generated by heating in the expander refrigerant circuit expands itself and drives the expander, and is then compressed by the compressor in the refrigeration cycle and pressurized by the refrigerant gas discharged into the shell 6. The refrigerant gas discharged into the shell after being discharged from the shell together and condensed in the thermal output heat exchanger causes the heat output from the heat to be output by hot water or the like. The cogeneration output utilization system according to any one of 9 and 9. 前記膨張機、前記圧縮機が作動する前記シェル内に膨張、圧縮機構を潤滑するために潤滑油を封入し、前記シェル外部から該シェル内底部付近の前記潤滑油に連通した管路を設置し、それにより前記潤滑油を取り出し、一方、前記膨張機冷媒回路の前記液ポンプ入り口部乃至は前記分流器内の液圧縮子の入り口部分に管路の他端部を接続させ、これにより前記シェル内の前記潤滑油を冷媒と一緒に膨張機冷媒回路を循環させ、如かしてこの循環する潤滑油により前記膨張機シリンダを潤滑させる事を特徴とした請求項5、9、13の何れか1項に記載のコージェネレイション出力利用システム。 Lubricating oil is sealed in the expander and the shell in which the compressor operates to lubricate the expansion and compression mechanism, and a pipe line communicating from the outside of the shell to the lubricating oil near the bottom of the shell is installed. Thereby removing the lubricating oil, while connecting the other end of the conduit to the inlet of the liquid pump in the expander refrigerant circuit or the inlet of the liquid compressor in the flow divider, thereby 14. The expander refrigerant circuit is circulated together with the refrigerant in the expander refrigerant circuit, and the expander cylinder is lubricated by the circulated lubricant oil. The cogeneration output utilization system according to item 1. サイクル冷媒としてイソブタン、プロパン、アンモニア、フロンC2H4F2又はこれら成分が重量比50%以上の混合冷媒を用いたことを特徴とした請求項4、12の何れか1項に記載のコージェネレイション出力利用システム。 13. The cogeneration output utilization system according to claim 4, wherein isobutane, propane, ammonia, Freon C 2 H 4 F 2 or a mixed refrigerant containing 50% or more by weight of these components is used as the cycle refrigerant. 前記システムを制御する制御装置を設け、全体の運転モードの設定制御等を行わせ、その中で少なくとも使用者が電力、給湯、暖房、冷房などの利用優先順位の設定及び、又は、商用電力の時間帯別料金優遇制度に応じて、前記圧縮機駆動方式の前記電動モータによる方式が自動乃至は使用者の希望により選択できるように設定した制御システムを組み込んだ事を特徴とする請求項2、3、8の何れか1項記載のコージェネレイション出力利用システム。 A control device for controlling the system is provided, and setting control of the entire operation mode is performed, and among them, at least a user sets usage priorities such as power, hot water supply, heating, and cooling, or commercial power 3. A control system in which a method using the electric motor of the compressor driving method is set to be automatic or can be selected according to a user's request according to a fee-based fee preferential system is incorporated. The cogeneration output utilization system according to any one of 3 and 8. 前記コージェネレイション装置の排熱源の媒体である温熱などを前記排熱利用熱交換器で放熱して温度の下がった後に、前記温熱出力熱交換器にて加熱されて温度の上昇した温熱出力媒体である温水などとさらに熱交換させ、前記温熱出力媒体である温水などをさらに加熱して温度上昇させ、請求項13の合計熱量にさらに加えて熱出力を増加させた事を特徴とした請求項8、13の何れか1項に記載のコージェネレイション出力利用システム。 With the thermal output medium that has been heated by the thermal output heat exchanger and then increased in temperature after the thermal heat that is a medium of the exhaust heat source of the cogeneration apparatus is radiated by the exhaust heat utilization heat exchanger and the temperature is lowered. The heat output is further increased by further exchanging heat with certain warm water and the like, further heating the warm water as the thermal output medium to increase the temperature, and further increasing the heat output in addition to the total amount of heat of claim 13. 14. The cogeneration output utilization system according to any one of items 13 to 13. 請求項5に於いて前記シェル内にスクロール翼型又はローリングピストン型膨張機と圧縮機及び前記電動モータを、前記膨張機と該電動モータが前記圧縮機を駆動できる関係に設置する。しかして前記圧縮機を前記電動モータのみで駆動する場合は、前記膨張機は請求項5のレリース動作、即ち前記膨張機のスクロール型では固定翼全体乃至はそこに設けた開閉通路を移動又は作動させてシリンダ内を外部と連通させ、又ローリングピストン型では高低圧の仕切りブレイドをシリンダ外に押し出して固定して高低圧室の仕切りを開放してしまうなどにより膨張出力機能を無くすよう作動する。一方前記膨張機のみで駆動する時は前電動モータの回転ロータは空回りとなるように電源回路出力をオフする。また前記膨張機と前記電動モータの双方で駆動する時は該モータの電源回路を前記膨張機の駆動力を補うために必要な出力となるように回転数と電圧の双方を制御調整する。以上により前記膨張機のみによる駆動、前記電動モータのみによる駆動、更には両者による駆動の内少なくとも二つを切り替えて運転ができるように構成、作動させる事を特徴とした請求項2、3、4、5の何れか1項に記載されたコージェネレイション出力利用システム。 6. The scroll blade type or rolling piston type expander, the compressor and the electric motor are installed in the shell in such a relationship that the expander and the electric motor can drive the compressor. Therefore, when the compressor is driven only by the electric motor, the expander moves or operates in the release operation according to claim 5, that is, in the scroll type of the expander, the entire fixed blade or the open / close passage provided therein. In the rolling piston type, the high and low pressure partition blades are pushed out of the cylinder and fixed to release the partition of the high and low pressure chambers. On the other hand, when driven by the expander alone, the power circuit output is turned off so that the rotary rotor of the front electric motor is idle. When both the expander and the electric motor are driven, both the rotational speed and the voltage are controlled and adjusted so that the power supply circuit of the motor has an output necessary for supplementing the driving force of the expander. 5. The construction and operation according to claim 2, wherein the driving is performed by switching only at least two of the driving by the expander, the driving by the electric motor, and the driving by both. 5. The cogeneration output utilization system described in any one of 5 above. 前記システムに冷媒漏れ検知装置を設け、それが冷媒漏れを検知した時は運転停止、電源遮断などの安全対応施策の実施を請求項15の制御システムに採用し、且つ前記コージェネレイション装置への異常停止などの要求を発する、乃至は非常用電源による警告表示等の制御方式を組み込んだ事を特徴とした請求項4、5、7、9、10、12、15の何れか1項記載のコージェネレイション出力利用システム
The system is provided with a refrigerant leak detection device, and when it detects a refrigerant leak, the control system according to claim 15 adopts safety measures such as operation stop and power shut-off, and abnormality in the cogeneration device. The cogeneration system according to any one of claims 4, 5, 7, 9, 10, 12, and 15, wherein a control system for issuing a request for stopping or the like, or incorporating a control system such as a warning display by an emergency power source is incorporated. Rate output system
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012149540A (en) * 2011-01-17 2012-08-09 Toyota Motor Corp Turbine device and waste heat recovery system
CN105570974A (en) * 2014-10-26 2016-05-11 詹平治 Compression cold/hot water supply heating and cooling device
CN112906220A (en) * 2021-02-10 2021-06-04 海南省电力学校(海南省电力技工学校) Method for estimating state of comprehensive energy microgrid park system
CN114881416A (en) * 2022-04-08 2022-08-09 东南大学溧阳研究院 Comprehensive energy inertial support method considering flexibility of cogeneration unit

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012149540A (en) * 2011-01-17 2012-08-09 Toyota Motor Corp Turbine device and waste heat recovery system
CN105570974A (en) * 2014-10-26 2016-05-11 詹平治 Compression cold/hot water supply heating and cooling device
CN112906220A (en) * 2021-02-10 2021-06-04 海南省电力学校(海南省电力技工学校) Method for estimating state of comprehensive energy microgrid park system
CN114881416A (en) * 2022-04-08 2022-08-09 东南大学溧阳研究院 Comprehensive energy inertial support method considering flexibility of cogeneration unit
CN114881416B (en) * 2022-04-08 2023-05-30 东南大学溧阳研究院 Comprehensive energy inertial support method considering flexibility of cogeneration unit

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