JP2007078260A

JP2007078260A - 熱駆動発電冷暖房装置

Info

Publication number: JP2007078260A
Application number: JP2005266889A
Authority: JP
Inventors: Masami Negishi; 正美根岸
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】ランキンサイクルと冷凍サイクルを同時にまたは別々に運転可能な熱駆動発電冷暖房装置を提供する。
【解決手段】作動媒体を蒸発させる第１の蒸発器と、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機と、該膨張機の膨張仕事を動力として取り出す発電機と、前記膨張機からの作動媒体を凝縮させる第１の凝縮器と、該第１の凝縮器からの作動媒体を前記第１の蒸発器へと循環させる循環ポンプとを備えたランキンサイクルと、前記膨張機で膨張された作動媒体を蒸発させる第２の蒸発器と、第２の蒸発器からの作動媒体を圧縮する圧縮機と、該圧縮機からの作動媒体を凝縮する第２の凝縮器と、第２の凝縮器からの作動媒体を前記第１の蒸発器へと送る冷凍サイクルとを備えた熱駆動発電冷暖房装置において、前記第１の凝縮器の出口部に、前記循環ポンプ側および第２の蒸発器側への作動媒体の流入量を自在に調節可能な制御手段を設けたことを特徴とする熱駆動発電冷暖房装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクルと冷凍サイクルとを有し、発電、冷暖房を行なう熱駆動発電冷暖房装置に関し、とくに、車両用の発電、冷暖房装置として好適な熱駆動発電冷暖房装置に関する。

従来から、ランキンサイクルと冷凍サイクルとを有し、発電、冷暖房を行なう熱駆動発電冷暖房装置はよく知られている。また、近年、車両（たとえば、自動車）に搭載される熱駆動発電冷暖房装置の提案もなされている（たとえば、特許文献１）。このような、熱駆動発電冷暖房装置においては、複数の開閉弁の開閉によりいずれか一方の回路のみを開とし、ランキンサイクルまたは冷凍サイクルの切替え運転が可能に構成されている。そして、ランキンサイクルにより発電、暖房が行なわれるとともに、冷凍サイクルにより冷房が行なわれるようになっている。

しかし、上記特許文献１のような提案においては、ランキンサイクルまたは冷凍サイクルの切替え運転が可能に構成されているが、両サイクルを同時に運転することは不可能である。このため、たとえばランキンサイクルを運転し発電を行なう際には、冷凍サイクルは停止状態になるため冷房運転が不可能になる。
特開２００５−２４１２９号公報

本発明の課題は、ランキンサイクルと冷凍サイクルを同時にまたは別々に運転可能な熱駆動発電冷暖房装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱駆動発電冷暖房装置は、作動媒体を蒸発させる第１の蒸発器と、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機と、該膨張機の膨張仕事を動力として取り出す発電機と、前記膨張機からの作動媒体を凝縮させる第１の凝縮器と、該第１の凝縮器からの作動媒体を前記第１の蒸発器へと循環させる循環ポンプとを備えたランキンサイクルと、前記膨張機で膨張された作動媒体を蒸発させる第２の蒸発器と、第２の蒸発器からの作動媒体を圧縮する圧縮機と、該圧縮機からの作動媒体を凝縮する第２の凝縮器と、第２の凝縮器からの作動媒体を前記第１の蒸発器へと送る冷凍サイクルとを備えた熱駆動発電冷暖房装置において、前記第１の凝縮器の出口部に、前記循環ポンプ側および第２の蒸発器側への作動媒体の流入量を自在に調節可能な制御手段を設けたことを特徴とするものからなる。このような構成においては、循環ポンプ側および第２の蒸発器側への作動媒体の流入量が自在に調節されるので、ランキンサイクルまたは冷凍サイクルの一方のみ、または両サイクルを同時に運転することができる。したがって、従来の装置に比べ発電、冷暖房効率を向上できる。

上記制御手段は、たとえば三方弁から構成できる。また、上記制御手段は、第１の凝縮器から循環ポンプ側への作動媒体量を調節可能な第１の開閉弁と、第１の凝縮器から第２の蒸発器側への作動媒体量を調節可能な第２の開閉弁とから構成することも可能である。なお、上記開閉弁は特に限定されるものではなく、公知の開閉弁（たとえば、電磁弁）を用いることができる。

上記膨張機と発電機と圧縮機は動力分配機に連結されていることが好ましい。このような構成においては、第１の蒸発器により加熱された作動媒体が膨張機において断熱膨張されることにより、発電機のみならず圧縮機を駆動することもできる。膨張機の駆動力は発電機の出力を調整することにより制御できる。また、このような構成においては、膨張機の回収動力が圧縮機の駆動力を補うため、圧縮機の効率的な運転が可能となる。なお、膨張機の回収動力だけでは圧縮機の駆動力を十分に補いきれない場合も想定されるが、圧縮機に専用駆動源を設け該専用駆動源から動力を供給すれば常時十分な冷凍能力を確保できる。また、動力分配機は、たとえば遊星歯車機構を用いて構成することができる。

上記作動媒体はとくに限定されるものではないが、好ましくはハイドロカーボン系の物質、たとえばプロパン、ブタン、イソブタン、プロピレン等を挙げることができる。

上記膨張機および／または圧縮機はとくに限定されるものではないが、たとえばスクロール型の流体機器を挙げることができる。

上記蒸発器の熱源は、とくに限定されるものではないが、たとえば排熱、太陽熱等の自然エネルギーを用いることが好ましい。

本発明に係る熱駆動発電冷暖房装置は、住宅、工場等の発電、空調装置として利用できるが、とくに車両用の発電、空調装置に好適である。

本発明に係る熱駆動発電冷暖房装置によれば、ランキンサイクルと冷凍サイクルを同時にしかも効率よく運転できるので、従来の装置に比べ発電、冷暖房効率を向上できる。

以下に本発明に係る熱駆動発電冷暖房装置の望ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る熱駆動発電冷暖房装置の概略構成図である。図１において、１は熱駆動発電冷暖房装置を示している。熱駆動発電冷暖房装置１は、ランキンサイクル２と冷凍サイクル３とを有している。本実施態様の熱駆動発電冷暖房装置は、車両（たとえば、電気自動車、ハイブリッド車）のエンジン等の駆動源等からの排熱を利用し、発電、空調を行なう熱駆動発電冷暖房装置に構成されている。

ランキンサイクル２は、車両のエンジン等の駆動源等（図示略）からの排熱によりハイドロカーボン系の冷媒を加熱蒸発させる第１の蒸発器４と、該第１の蒸発器で蒸発された冷媒を膨張させるスクロール型の膨張機５と、該膨張機５からの冷媒を凝縮させる第１の凝縮器６と、該第１の凝縮器６からの冷媒を第１の蒸発器４に送る循環ポンプ７とから構成されている。膨張機５には、発電機８が連結されている。そして、膨張機５による膨張仕事が電力として取り出されるようになっている。また、第１の凝縮器６から循環ポンプ７へと至る経路の途中には、第１の開閉弁９が設けられている。該第１の開閉弁９の開閉により、第１の凝縮器６から循環ポンプ７へと流入する冷媒量が調節されるようになっている。

第１の凝縮器６には、冷凍サイクル３の第２の蒸発器１０が接続されている。第１の凝縮器６から第２の蒸発器１０に至る経路の途中には、第２の開閉弁１１および膨張弁１２がこの順に設けられている。第２の開閉弁１１の開閉により、第１の凝縮器６から膨張弁１１を介して第２の蒸発器１０へと流入する冷媒量が調節されるようになっている。本実施態様においては、開閉弁９、１１により、第１の凝縮器６から流出された冷媒の循環ポンプ側および第２の蒸発器側への流入量を自在に調節可能な制御手段１３が構成されている。

第２の蒸発器１０には、スクロール型の圧縮機１４が接続されている。圧縮機１４から吐出されて冷媒は、第２の凝縮器１５へと送られるようになっている。そして、第２の凝縮器１５で凝縮された冷媒は、循環ポンプ７を介して第１の蒸発器４へと循環される。このようにして冷凍サイクル３が構成されている。

上記膨張機５と発電機８と圧縮機１４は、動力分配機１６に連結されている。本実施態様においては、動力分配機１６は遊星歯車機構１７から構成されている。遊星歯車機構１７は、図２に示すようにサンギア１９とプラネタリギア２０とリングギア２１とを有している。サンギア１９の外側にはプラネタリギア２０が噛合され、該プラネタリアギア２０の外側にはリングギア２１が噛合されている。また、サンギア１９は発電機８に、プラネタリアギア２０は軸２２を介して膨張機５に、リングギア２１は軸２３を介して圧縮機１４のモータ２４に連結されている。したがって、たとえば膨張機５の動力を回収し発電機８、圧縮機１４を同時に駆動させることができる。

本実施態様においては、第１の凝縮器６から循環ポンプ７へと至る経路の途中には、第１の開閉弁９が設けられ、一方第１の凝縮器６から第２の蒸発器１０に至る経路の途中には、第２の開閉弁１１が設けられているので、開閉弁１０、１１の開閉により、循環ポンプ側および第２の蒸発器側への作動媒体の流入量が自在に調節できる。したがって、ランキンサイクルまたは冷凍サイクルの一方のみ、または両サイクルを同時に運転することができ、従来の装置に比べ発電、冷暖房効率を向上できる。

図３は、図１の装置の冷媒温度とエントロピーの関係を示している。第１の蒸発器４で蒸発されて冷媒は、膨張機５を介して第１の凝縮器６へ送られ凝縮される、そして、該凝縮器６を通過する外部通過空気との間において熱交換が行なわれ、該外部通過空気が暖房に供される。また、第１の開閉弁９が開、第２の開閉弁１１も開とされている場合には、冷媒の一部は冷媒の循環ポンプ側へ残りの冷媒は第２の蒸発器側へ送られランキンサイクル２と冷凍サイクル３の双方が運転される。

つまり、第１の蒸発器６を通過した一部の冷媒は循環ポンプ７により第１の蒸発器４へと戻され、ランキンサイクル２が運転される。また、膨張機５における冷媒の膨張仕事により発電機８が駆動され発電が行なわれる。

一方、凝縮器６を通過した残りの冷媒は膨張弁１２を介してランキンサイクル３側の第２の蒸発器１０に送られ蒸発される。そして、該蒸発器１０を通過する外部通過空気との間において熱交換が行なわれ、該外部通過空気が冷房に供される。さらに第２の蒸発器１０を通過した冷媒は圧縮機１４において圧縮され第２の凝縮器１５を通過した冷媒は循環ポンプ７により第１の蒸発器４へと戻され冷凍サイクル３が運転される。

したがって、開閉弁９、１１の双方が開とされた場合には、ランキンサイクル２および冷凍サイクル３が運転されるので、冷房と発電を同時におこなうことができる。

また、膨張機５と発電機８と圧縮機１４は動力分配機１６に連結されているので、第１の蒸発器４により加熱された作動媒体が膨張機５において断熱膨張されることにより、発電機８のみならず圧縮機１４を駆動することもできる。この場合、膨張機５の駆動力は発電機８の出力を調整することにより制御できる。また、このような構成においては、膨張機５の回収動力が圧縮機１４の駆動力を補うため、圧縮機１４の効率的な運転が可能となる。なお、膨張機５の回収動力だけでは圧縮機１４の駆動力を十分に補いきれない場合も想定されるが、圧縮機１４に専用駆動源（図示略）を設け、該専用駆動源から動力を供給すれば圧縮機４の駆動力が不足する不具合が解消されるので、常時十分な冷凍能力を確保できる。

上記制御手段１３は、二つの開閉弁１０、１１から簡単に構成できるので、製造コストの上昇を効果的に抑制することができる。

また、本実施態様においては開閉弁９が開とされ開閉弁１１が閉とされた場合には、ランキンサイクル２のみが運転される。一方、開閉弁９が閉とされ開閉弁１１が開とされた場合には、冷凍サイクル３のみが運転される。

図４は、本発明の第２実施態様に係る熱駆動発電冷暖房装置の概略構成図である。本実施態様において、上記第１実施態様と同一の部材には同一の番号を付し説明を省略する。本実施態様においては、三方弁１８により、第１の凝縮器６から流出された冷媒の循環ポンプ側および第２の蒸発器側への流入量を自在に調節可能な制御手段１９が構成されている。

本実施態様においても、第１の凝縮器６から流出された冷媒の循環ポンプ側および第２の蒸発器側への流入量を自在に調節可能な制御手段１９としての三方弁１８が設けられているので、ランキンサイクル２と冷凍サイクル３とを同時に運転でき、発電と冷房とを同時に行なうことができる。なお、本実施態様においても当然ランキンサイクル２と冷凍サイクル３を別々に運転できる。

なお、本実施態様において、第２の蒸発器１０と第２の凝縮器１５との役割を交代させ、第２の蒸発器１０を凝縮器として利用し、第２の凝縮器１５を蒸発器として利用すれば外気から熱をくみ上げるヒートポンプ回路を構成することも可能である。この場合、発電、暖房、給湯を実施できる。

本発明に係る熱駆動発電冷暖房装置は、住宅、工場等の発電、冷暖房装置として適用であるが、とくに車両用の発電、冷暖房装置として好適である。

本発明の第１実施態様に係る熱駆動発電冷暖房装置の概略構成図である。図１の動力分配機の断面図である。図１の装置の冷媒温度とエンタルピーの関係を示す関係図である。本発明の第２実施態様に係る熱駆動発電冷暖房装置の概略構成図である。

符号の説明

１熱駆動発電冷暖房装置
２ランキンサイクル
３冷凍サイクル
４第１の蒸発器
５膨張機
６第１の凝縮器
７循環ポンプ
８発電機
９第１の開閉弁
１０第２の蒸発器
１１第２の開閉弁
１２膨張弁
１３、１９制御手段
１４圧縮機
１５第２の凝縮器
１６動力分配機
１７遊星歯車機構
１８三方弁
１９サンギア
２０プラネタリギア
２１リングギア
２２、２３軸
２４モータ

Claims

作動媒体を蒸発させる第１の蒸発器と、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機と、該膨張機の膨張仕事を動力として取り出す発電機と、前記膨張機からの作動媒体を凝縮させる第１の凝縮器と、該第１の凝縮器からの作動媒体を前記第１の蒸発器へと循環させる循環ポンプとを備えたランキンサイクルと、前記膨張機で膨張された作動媒体を蒸発させる第２の蒸発器と、第２の蒸発器からの作動媒体を圧縮する圧縮機と、該圧縮機からの作動媒体を凝縮する第２の凝縮器と、第２の凝縮器からの作動媒体を前記第１の蒸発器へと送る冷凍サイクルとを備えた熱駆動発電冷暖房装置において、前記第１の凝縮器の出口部に、前記循環ポンプ側および第２の蒸発器側への作動媒体の流入量を自在に調節可能な制御手段を設けたことを特徴とする熱駆動発電冷暖房装置。
前記制御手段が第１の凝縮器から循環ポンプ側への作動媒体量を調節可能な第１の開閉弁と、第１の凝縮器から第２の蒸発器側への作動媒体量を調節可能な第２の開閉弁とからなる、請求項１の熱駆動発電冷暖房装置。
前記制御手段が三方弁からなる、請求項１の熱駆動発電冷暖房装置。
前記膨張機と発電機と圧縮機が動力分配機に連結されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱駆動発電冷暖房装置。
前記動力分配機が遊星歯車機構からなる、請求項４の熱駆動発電冷暖房装置。
前記作動媒体がハイドロカーボン系の物質からなる、請求項１ないし５のいずれかに記載の熱駆動発電冷暖房装置。
前記膨張機および／または圧縮機がスクロール型の流体機器からなる、請求項１ないし６のいずれかに記載の熱駆動発電冷暖房装置。
前記第１の蒸発器の熱源が排熱である、請求項１ないし７のいずれかに記載の熱駆動発電冷暖房装置。
前記熱駆動発電冷暖房装置が車両用の熱駆動発電冷暖房装置からなる、請求項１ないし８のいずれかに記載の熱駆動発電冷暖房装置。