JP2012112369A - ヒートポンプ発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車に於ける空気調和機にヒートポンプによる方法はあったが、冬季など外気温が低い場合や運転開始時暖房能力不足、或いは電力消費の増大で走行用バッテリーの消耗が激いという課題があった。
【解決手段】圧縮機、熱交換器、電子膨張弁、蒸発器を含む第一循環系統である熱サイクルと、第一循環系統と同一の熱交換器、タービン、復水器、圧力調整タンク、復水ポンプを含む発電機を備えた第二循環系統のランキンサイクル発電装置を構成する。この第一循環系統のヒートポンプ熱サイクルで集熱し熱交換器を通して第二循環系統の発電サイクルで効率の良い発電をする。このヒートポンプ発電装置を電気自動車に搭載し、第一循環系統の熱サイクルからの冷媒ガスをＨＶＡＣのエバポレータに通し冷房とし、第二循環系統のランキンサイクル発電装置からの排熱をＨＶＡＣのヒータコアに通すことで暖房ができ電力消費の少ない電気自動車用空気調和機を得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機、膨張器、熱交換器、蒸発器及び発電機を含む熱サイクル装置及びそれを利用したヒートポンプ発電装置に関する。また、その応用として電気自動車の空気調和装置に関する。

ヒートポンプを使った発電装置はこれまで幾つか発明されてきた。例えば、特開２００７−１４６７６６号公報（特許文献１）に開示されている。また、単一循環に於ける熱サイクルでのヒートポンプ発電装置として特表２０１０−５１０４３３号公報（特許文献２）に開示されている。

しかし、これらの方法では冷凍サイクル内での圧力分布を利用する発電機構のため効率が悪く圧縮機の消費以上の発電は期待できない。例えば、特許文献１では冷凍サイクル内の圧縮機１から膨張器Ｋの間に第一タービンＳを配置している。基本的に圧縮機から膨張弁までが冷媒の高圧域であり膨張弁から後の蒸発器を経て圧縮機までが低圧域である。

この単一循環サイクルでの高圧域内タービンの駆動は圧縮機の圧力を利用して回転するだけで、ヒートポンプの特徴である空気の熱を集熱しその熱エネルギーで駆動しているわけではない。したがって得られる電力も変換効率３７％とすると圧縮機で消費した電力の３分の１程度しか発電しない。

同様に、特許文献２でも気化器からの高速ガスの力を利用してタービンを回すものであるが、高速ガスの発生源は圧縮機から生成された圧力である。ここにもヒートポンプから発生する熱量は関与しないため、圧縮機からの変換効率から圧縮機の消費電力の３分の１以下しか発電しない。

電気自動車に搭載する空気調和システムでは、従来の内燃機関を搭載している自動車のように熱源を持たないため、特に暖房時の空気調和では大きな電力の消費が課題であり、この課題の解決のために消費する電力以上に大きな熱エネルギーを発生するこれまでヒートポンプを採用したいくつかの発明がなされてきた。ヒートポンプ熱サイクルの課題として、外気温が低い場合や運転開始時に於いて暖房が困難或いは暖房能力不足に陥ると言った問題があった。

この問題点を解決する手段として、走行用モータからの排熱やバッテリーからの排熱を利用したり、電気式ヒーターや燃焼式ヒーターを併用することが考えられていた。例えば特開平７−３２９５４４号（特許文献３）、特許第３４７７８６８号（特許文献４）に開示されている。

また、これら電気式ヒーターやモータ、バッテリー等の排熱の他に室内から外気への排熱を取込みクーラントに変換して細かな制御を行うものも考えられている。例えば特開２０１０−１１１２６９号（特許文献５）に開示されている。

特開２００７−１４６７６６号公報 特表２０１０−５１０４３３号公報 特開平７−３２９５４４号公報 特許第３４７７８６８号公報 特開２０１０−１１１２６９号公報

したがって、ヒートポンプの大きな特徴である空気の集熱作用でその集熱に消費する熱量の数倍の熱量を発生する（公知）ことに対して、従来の熱サイクルを応用した発電システムでは、同一循環系統内で行うため、その熱サイクル内で消費する電力、すなわち圧縮機の消費電力以上の発電は出来なかった。

古くから技術者は長年の経験から熱機関は流れのある過程を用いて発生熱源と駆動の系統を分けることにより効率が上がる事を知っていた。例えばサベリーやワットの蒸気機関の発明は、熱源は石炭を燃やし水蒸気を作るボイラーであり、管を通って駆動系が蒸気シリンダー、ピストン、弾み車等からなる動力機関である。ワットはこの動力部に続いて第三の分離した装置として凝縮器を付け加えた。こうして凝縮した蒸気はポンプに入りボイラーに戻りエネルギーの循環を行っている。こうしたサイクルがランキンサイクルとして現在の火力、原子力発電にも継承されていることは事実である。

本発明によれば、ヒートポンプ熱サイクルの第一循環系統で集めた熱エネルギーを熱交換器を通して第二循環系統に渡し、この第二循環系統のランキンサイクルで発電を行うものである。しかし従来のヒートポンプ式熱サイクルでは給湯器のようにお湯を沸かす程度の温度であり、とても水を蒸発させるほどの高温高エネルギーにはならず、したがって発電には使えないと思われていた。

これは、熱サイクルで使用する冷媒の能力であり低温では有利だが高温域では臨界点が低いためである。また、この熱サイクルであるヒートポンプの冷媒を高温域まで上昇させると図３の比エンタルピー曲線のｈ５の様にＣＯＰが低くなるという課題がある。

本発明によれば、第一循環系統の熱サイクルの温度を出来るだけ高温にすること、高温になってもＣＯＰを上げ、且つ第二循環系統のランキンサイクルでは比較的低温でも蒸発する冷媒を選定し低温蒸気でもタービンを回し発電を行うことにより、第一循環系統で集熱のために消費した圧縮機の消費電力以上の発電量を得ることを目的とする。

また、従来の内燃機関を持つ自動車では特に暖房時、窓ガラスの曇り止めでは従来からクーラーを効かせながらヒーターをつけていた。熱源の無い電気自動車ではこのクーラーとヒーターを、全て蓄えているバッテリーの電力で賄うことになり莫大な電力消費に繋がり走行距離が大幅に縮まっていた。

この自動車の空気調和装置にヒートポンプ発電装置の排熱を利用し、空気調和のために消費していた多大な電力消費を抑えることにより電気自動車に於ける１回の充電での走行距離を伸ばし、暖房時に於いても冷媒の温度を高温に保つことで冬季などヒートポンプ暖房の暖房能力の減衰に対応し、近年大きな問題となる環境保全に貢献することを目的とする。

本発明のヒートポンプ発電装置は、圧縮機、凝縮器を含む熱交換器、電子膨張弁、蒸発器を含む第一循環系統である熱サイクルと、蒸発器を含む第−循環系統と同一の熱交換器、タービン、復水器、圧力調整タンク、復水ポンプを含む発電機を備えた第二循環系統のランキンサイクル発電装置を構成する。

第一循環系統の熱サイクルに使用する冷媒ガスは自動車のクーラーによく使用されるＨＦＣ−１３４ａが妥当である。従来の内燃機関を持つ自動車では、この内燃機関にクーラー用圧縮機を固定し内燃機関の動力を得て圧縮機を駆動していたため配管経路にはゴムホースを使用しなければならなかった。そのためこのＨＦＣ−１３４ａはゴム等の材質に変化しない冷媒として多くの自動車に使用している。本発明の冷媒としても臨界点が１３０℃と高温なため使用に適切と考える。

まず、第一循環系統の熱サイクルではこの第一循環系統内の冷媒を圧縮機１で圧縮して高温高圧ガスを生成する。この高圧高温ガスの熱エネルギーは熱交換器２内凝縮器３から第二循環系統蒸発器４に熱交換して渡す。このときこの熱交換動作の排熱作用から第一循環系統の高温高圧ガスは凝縮液化ガスとなる。この第一循環系統の凝縮液化ガスは今度は過冷却コンデンサー１５を通しさらに温度を下げ電子膨張弁１３で減圧し、第一循環系統蒸発器１７で低温ガスとなるヒートポンプ熱サイクルを構成する。

この熱サイクルでは通常のエアコンの様に冷房暖房を備えず、ヒートポンプとしての暖房専用回路としている。しかも高温を得るため第一循環系統蒸発器１７では集熱機能を強化し、通常では圧縮機の消費熱量＋蒸発器の熱量＝凝縮器の熱量として熱量の設計を行うが、ここでの蒸発器ではより集熱効果を上げるため容量を大きくとることが特徴である。

しかも、圧縮ガスの高温を得るためには集熱温度が大きく関係してくる。一般に熱サイクルでは高温から低温、或いは低温から高温に変える場合の温度差が小さいほど圧縮機の負荷も小さくなる。

一般の業務用家庭用空調機では暖房時の外気温度が上記２５度以上の場合と０度以下の場合ではインバータ付空調機では消費電力は倍くらい違いが出てくる。これは凝縮器から取り込む熱エネルギーの量の違いで圧縮機は目標の冷媒温度を８５度とするとその温度に向かって最大限の力を出そうとする。凝縮器から取り込む温度差によって目標への到達幅が違うため外気温が高ければ圧縮機の回転数は低く、外気温が低ければたくさん熱を取り込まなくてはならないため圧縮機の回転数は高くなり、これが消費電力の差となる。

また、圧縮機の能力に拠る影響も大きい。同じ圧縮機の能力の容量では外気温が０度以下での場合、何とか冷媒の温度が８５度まで出せたとすると、同じ圧縮機で外気温が２５度以上では同じ消費電力では冷媒の温度はもっと上げることができる。図３に示すように低圧域が矢印１０３で０→２５℃では高圧域では矢印１０２で８５℃→９５℃と表現している。ここでは等エントロピー線はｂ−ｃ＝ｂ’−ｃ’のように同じと仮定している。

そのため、外気温が２５度以上の季節では集熱温度も高いため圧縮冷媒も高温になりやすいが、外気温が０度近辺、或いはマイナスの場合はなかなか圧縮冷媒ガスは高温になりにくく、これが自動車でのヒートポンプ空調機では暖房が効かない要素となっている。

このような圧縮負荷が大きい場合、一般業務用空調機、冷凍機では二段圧縮などの方法を用いる。この二段圧縮装置も機能的には優れているため使用可能であるが、今回の本発明であるヒートポンプ発電装置では、第二循環系統のランキンサイクルの排熱を利用して集熱温度を上げる方法をとる。これには第二循環系統から派生し第一循環系統の集熱部である第一循環系統蒸発器１７の前に予熱機構として予熱コンデンサー１６を設置することにより達成している。

また、冷媒ガスの高温化は上記と同じく図３ではｈ５で示すようにＣＯＰの低下を招くことが一般的であるが上記の通り熱交換器２から出た低温凝縮液化冷媒をさらに過冷却コンデンサー１５で冷却することによりｈ３’矢印１０１のように全体として第一循環系統の熱サイクルでのＣＯＰを向上させている。しかも、この過冷却で放出した熱エネルギーは第一循環系統蒸発器１７で集熱され熱エネルギーの再利用を行っている。

次に、前記第一循環系統の熱サイクルから発生した熱エネルギーは熱交換器２を通して第二循環系統のランキンサイクル発電装置に受け継がれる。この熱エネルギーは第二循環系統蒸発器４で配管内部の循環冷媒が熱エネルギーを吸収し、この第二循環系統の配管内部にある冷媒液の沸点を越え液が蒸発して高温高圧の冷媒ガスを発生させる。

この時の第一循環系統の熱サイクルから得られる温度は１００℃以下であり、この温度でも蒸発する液体として、例えばメタノールなど比較的低温でも蒸発する液体を冷媒と使用する。このメタノールの沸点は６４．７℃と低く発火点は３８５℃と高いため加熱冷却に耐えると考える。また、蒸気汪は常温で１３３ｈＰａであり水蒸気の約３倍であることから大きなエネルギーが取り出せる。

但し引火点が１１℃と低く引火しやすいため第二循環系統内では引火性の無い部材を使用する必要がある。特に危険性が高いものはタービンであるがインペラーやケーシングをＦＲＰ等、車載の場合車故で変形しても発火しない材質を選択する必要がある。また、ボイラと違って熱サイクル中では最大温度で約９５℃のため発火点を越すような部分的に超高温となることは無く、閉回路としてのランキンサイクルであれば引火は起こり難いと考える。

同様の条件であれば他の安全な冷媒でもよい。なお、このメタノールに水を数％混合して蒸発点を維持しつつ引火しにくくしてもよい。

この第二循環系統のランキンサイクル動作では、復水ポンプ１０で送られた低温液体冷媒は熱交換器２内第二循環系統蒸発器４で加熱され冷媒の沸点を超えて蒸発し高温高圧ガスとなる。この膨張エネルギーでタービン５を回しこのタービンに連結した発電機６を回して発電する。タービンから出た冷媒ガスはエントロピーの減少から低圧となり復水器９で凝縮液化し、圧力調整タンク１２に貯められ復水ポンプ１０で再び圧送しランキンサイクルとなる。

ここでの復水器９では前記第一循環系統の熱サイクルで吸熱しタービンを回して発電した残りの熱エネルギーを排出することになるが、上述の通りこの排熱の一部を集熱に再利用することにより熱循環が進み省エネ効果を増す。

以上のような本発明であるヒートポンプ発電装置を利用して、電気自動車など熱源を持たない申両に装着すると、まず本発明のヒートポンプ発電装置の第一循環系統の熱サイクルで電子膨張弁１３から出た低圧冷媒ガスは自動車内ＨＶＡＣ２２のエバポレータ２４で集熱作用を成すが同時に冷却用クーラーとして作用する。

ここではクーラーとしての機能の他に除湿機能があり自動車では重要な霜取り機能を果たす。このＨＶＡＣではエバポレータ２４の後にヒータコア２５を配置し、このヒータコアへの熱源は上述の本発明に於けるヒートポンプ発電装置の第二循環系統ランキンサイクルのタービン６より排出した冷媒ガスを腹水器９の前で分岐し高温状態の冷媒ガスとしてヒータコア２５へ通し車両室内の暖房に利用する。

冬季など車両の窓が曇る場合、上記エバポレータ２４に第一循環系統の冷媒ガスを通すと同時に第二循環系統の冷媒ガスをヒータコア２５に通すことにより除湿と暖房の両方を行うことができ、温度調整はクーラー調整弁２０とヒーター調整弁２１で制御することが出来る。

本発明によれば、第一循環系統の熱サイクルで集熱したエネルギーはその集熱に要する消費エネルギーの数倍大きく、ＣＯＰで表現するようにヒートポンプの熱サイクルでは５倍以上になるのが一般的である。この熱エネルギーを熱交換器で熱交換し第二循環系統のランキンサイクル発電装置で発電すれば、仮に発電総効率を３７％とすると集熱で消費する電気エネルギーの約２倍の発電量が得られる。

すなわち、このヒートポンプ発電装置は従来の自然エネルギー利用発電装置と同じく、地球環境に悪影響を及ぼさないクリーンエネルギーとして利用できる。

また、本発明を電気自動車に応用すれば、例えば現在の小型電気自動車のモータ出力が４０ｋｗｈとするとその３分の１の出力の集熱用圧縮機を装着すれば電気自動車は外部で充電せずに走行が可能である。

しかも電気自動車用空気調和装置もこのヒートポンプ発電装置の第一循環系統より冷房エネルギーを取り出し、第二循環系統の排熱を暖房に取り込むことにより、電力の消費をせずに熱エネルギー再利用にて空気調和を成す事が出来る。

本発明のヒートポンプ発電装置の熱サイクル及びランキンサイクル図である。 ヒートポンプ発電装置を電気自動車の空調システムに応用した熱サイクル及びランキンサイクル図である。 本発明のヒートポンプ発電装置の冷凍サイクルとモリエル線図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施形態１に於けるヒートポンプ発電装置の熱サイクル及びランキンサイクル図である。この図でまず、第一循環系統としてｕ１からｕ５までの冷媒の流れを説明すると、圧縮機１で圧縮する冷媒ガスは高温高圧にてｕ１の配管を通り熱交換器２の凝縮器３に入る。

この凝縮器で熱交換した第一循環系統の冷媒ガスは持てる熱エネルギーを放出して凝縮し液化冷媒ガスとなり、ｕ２の経路を経て過冷却コンデンサー１５を通りｕ３を経由して電子膨張弁１３で減圧され気液二相飽和冷媒となり、ｕ４配管を流通して第一循環系等蒸発器１７にはいり、ここで大気より熱を吸収して冷媒ガスとなってｕ６の経路を経て圧縮機１に戻るという熱サイクルを繰り返す。

ここでは、冷媒ガスを介して外気の温度を集めこれを圧縮して高温高圧にし、熱交換器で放熱する冷凍サイクルの中でも高熱を取り出す目的からヒートポンプと呼ばれている。この熱サイクルに使用する冷媒ガスは一般的なＨＦＣ−１３４ａ、或いはＲ４１０Ａ等を使用する。

ただし、熱交換で高温を必要とするためなるべく多くの熱を取り込む必要がある。一般の冷凍サイクルでは圧縮機の消費熱量と蒸発器で集めた集熱量の和が凝縮器の容量として設計する。しかも、上記のように第一循環系統、及び第二循環系統からの排熱を再利用するための方法として第一循環系等蒸発器１７の前面に第二循環系統からの排熱として予熱コンデンサー１６を配置し、その前面に第一循環系統からの排熱として過冷却コンデンサー１５を配置し、その前面に集熱ファン１４を配置している。

このときの風の流れは集熱ファン１４でａＬの大気を吸い込み過冷却コンデンサー１５を通ったａＭ１の気流は予熱コンデンサー１６を通りａＭ２の気流を成し第一循環系等蒸発器１７を通過してａＨの気流として抜ける。

また、第二循環系統で使用する冷媒の沸点を超える温度まで第一循環系統のコンデンサーに入る冷媒の温度を上げる必要から、冷媒ガスの臨界点付近まで温度を上げるために、今回のヒートポンプ発電システムではＣＯＰの向上を目指し集熱用蒸発器の容量を大きくしている。また、第二循環系統の排熱を分岐して予熱コンデンサー１６から摂ることによって集熱温度を上げている。

試作機では図１の集熱ファン１４で外気を取り込む外気温ａＬが冬季で５℃の時、過冷却コンデンサー１５を通過したａＭ１の温度は１０℃、予熱コンデンサー１６を通過したａＭ２の温度は２５℃、第一循環系等蒸発器１７を通過したａＨの温度が８℃であった。

この時の第一循環系統内の配管経過温度は、圧縮機１後のｕ１で９５℃、凝縮器３後のｕ２では４５℃でありこのコンデンサー３では５０℃の温度差が熱交換量となる。このｕ２の温度で過冷却コンデンサー１５に入り、出口のｕ３で２０℃になり電子膨張弁１３に入って行く。ここでも過冷却コンデンサー１５では３０℃の温度差がこのコンデンサーからの放熱エネルギーとなる。第一循環系統蒸発器１７には電子膨張弁１３後８℃で入り外気と排熱からの熱エネルギーを集熱し２５℃で出て行き圧縮機１に入る。ここでは気液二相飽和冷媒が蒸発器で蒸発し気化熱を奪われながら外気より集熱した後の温度であるため大きな熱量を確保している。

次に、本発明であるヒートポンプ発電装置の第二循環系統のランキンサイクルのｇ１からｇ６の冷媒の流れを説明すると、同じく図１で、熱交換器２の凝縮器３より吸熱した第二循環系統蒸発器４内の冷媒は液状から冷媒の沸点を超え気体の高圧冷媒ガスとなってｇ１を経由し、タービン５を高速で回転させる。このタービンに連結した発電機６で発電する。

このタービンを回す高圧冷媒ガスはタービンの回転で減圧されｇ２では低圧の高温冷媒ガスとなる。ここではタービンの回転負荷によりエントロピーの減少を伴ってエネルギーが動力に変換される。このｇ２の配管は復水器９に接続され、高温ガスの冷媒はこの復水器で冷却凝縮して低温の液体となりｇ３を経由しｇ４を過ぎて圧力調整タンク１２に入る。このタンクからｇ５を経て復水ポンプ１０によってｇ６から第二循環系統蒸発器４へと循環する。

この時の第二循環系統内の配管経過温度は、先ずこのヒートポンプ発電装置の運転開始時の復水ポンプ１０のサクション冷媒液＝圧力調整タンク１２の温度は大気温度と同じである。この大気温度と同じ冷媒液が復水ポンプ１０で圧送され熱交換器２の第二循環系統蒸発器４で凝縮器３から熱交換によって吸熱し高温となる。この時は吸熱量が一定であるため、第二循環系統の冷媒液が大気温度から昇温し蒸発するまでには時間が掛かることから復水ポンプ１０の回転は低回転で冷媒液を少量ずつ送り、供給による熱交換器の温度を維持する。

ここで沸騰し蒸発した第二循環系統の冷媒ガスは約９５℃の高温高圧ガスとなりタービン５を駆動する。このように一度沸点を越えて蒸発した冷媒ガスはタービンを回し復水器で凝縮液化した冷媒液はｇ３配管経路では５０℃近辺を維持するように復水器の容量と制御でコントロールし圧力調整タンク１２から復水ポンプ１０で再度圧送までこの温度を維持する。

この後は５０℃から９５℃までの低い温度差のため熱交換器の温度も定温を維持しやすいことから復水ポンプ１０も高速回転の定常運転ができ、ｇ１経路では大量の高温高圧冷媒ガスが発生しタービン５も高速回転が可能となる。

この時のタービン５の回転数は３０，０００ｒｐｍを越えることからこのタービンに連結した発電機６の許容回転数２，０００ｒｐｍに伝達するには発電機とタービンとの間に減速機を設ける。また、タービンの回転数の変動或いは発電機の負荷変動に対し両者にセンサーを設け相互の関係をマイクロコンピューターで演算しこのタービンと発電機の間の減速機には可変速度減速機等を使用するなどしてコンピュータ制御により最適なトルク管理を行うことが望ましい。

前記、第一循環系統蒸発器１７の予熱を加える予熱コンデンサー１６への高熱ガスの供給は上記第二循環系統ｇ２の配管からＳ１点で分岐し、ｒ１の配管を通り電磁弁７を通ってｒ２を経由する。この電磁弁７では、外気温が冬の低温時は作動しｒ２に高温ガスを流して予熱を第一循環系統蒸発器１７に施すが、夏の外気温が高いときには閉じて圧縮機からの冷媒ガスを異常高温にならないようにする働きがある。

本発明であるヒートポンプ発電装置の第二循環系統で使用する冷媒では、第一系統で集熱した外気の熱を圧縮して出来る温度はＣＯＰ向上も意識して第一循環系統で使用する冷媒の臨界点ぎりぎりの９５℃程度であるが、この温度で蒸発する冷媒の必要性から例えばメタノールを第二循環系統で使用する。

図３では本発明であるヒートポンプ発電装置の冷凍サイクルとモリエル線図を表す。通常の冷凍サイクルではａ→ｂ→ｃ→ｄと状態が変化し図中の様に
冷房サイクル ＣＯＰ＝（ｈ１−ｈ４）／（ｈ２−ｈ１）
暖房サイクル ＣＯＰ＝（ｈ２−ｈ３）／（ｈ２−ｈ１）
というＣＯＰの計算式が成り立つ。

次に、本発明の場合、過冷却コンデンサー１５は図中の過冷却部として作用しｄ→ｄ’、ａ→ａ’矢印１０１と膨張弁の絞りは完全に液相に入り膨張弁にとっては好ましい状態となり、尚且つ冷媒の冷却が進みＣＯＰ向上に貢献する。
また、予熱コンデンサー１６の働きにより矢印１０３のように冷却温度を引き上げる作用を成す。この事により同一容量の圧縮機の能力であれば最大で矢印１０２のように圧縮圧力を上げ冷媒温度を上げる作用を成す。

本発明によれば、このＣＯＰの状況は同図より
熱サイクル ＣＯＰ＝（ｈ２’−ｈ３’）／（ｈ２’−ｈ１’）
と表せる。

一般的な数値で本発明であるヒートポンプ発電装置から得られる電力量を簡単に計算すると、例えば集熱に使う圧縮機の出力を１０馬力、７．５ｋｗｈとするとヒートポンプ熱サイクルのＣＯＰを６として
１ｋｗｈ＝８５９．８４５ｋｃａｌでは
７．５ｘ（６−１）ｘ８５９．８４＝３２，２４４ｋｃａｌ （１）
が第一循環系統で集熱できる。

この熱量を第二循環系統の発電機で発電すると、発電に於ける総効率を３７％として
３２，２４４ｘ０．３７≒１１，９３０ｋｃａｌ （２）
１ｋｗｈ＝８５９．８４５ｋｃａｌであるから（２）は
１１，９３０÷８５９．８４５≒１３．９ｋｗｈ （３）
となる。

また、第二循環系統のポンプの出力を０．７５ｋｗとするとこのヒートポンプ発電装置からは
１３．９−０．７５≒１３．１ｋｗｈ （４）
の発電量が得られることになる。

上記、発電に於ける効率を３７％とした理由は、一般的な蒸気タービンの発電変換効率でありこの効率を基にした。しかし、本発明によるヒートポンプ発電装置での冷媒は蒸気タービンに使用する水ではなく分子質量や蒸気圧が約３倍のメタノール等である場合、この効率はもっと上がると推測する。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２ではヒートポンプ発電装置を電気自動車に搭載した場合の例を図２に示す。図２では実施の形態１の図１の追加でＨＶＡＣ（Ｈｅａｔｉｎｇ，Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｉｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）２２内にエバポレータ２４、その後にヒータユニット２５を配置する。

このＨＶＡＣ２２内のエバポレータ２４には上述の本発明に於ける第一循環系統の熱サイクルからｕ４配管中のＳ４点から分岐してｆ１配管を通りクーラー調整弁２０を経由してｆ２配管から低圧飽和冷媒を取り込む。

ブロア２３より送られた内気及び外気を通してエバポレータ２４ではこの低圧飽和冷媒を蒸発させ通過した空気より熱を取り込み冷気として室内に送る。また、上述の本発明に於ける第二循環系統のタービン５から排出される高温冷媒ガスはｇ２配管のＳ１及びＳ２点を分岐してｐ１配管を通りヒーター調整弁２１を通過しｐ２配管を経てヒータコア２５に入る。その後ｐ３を通りＳ３で合流して圧力調整タンク１２に戻る。

このヒータコア２５で第二循環系統の高温冷媒ガスとブロア２３から送られる空気の熱交換により暖気が室内に送られる。冬場での窓ガラスの曇り除去に通常はクーラーを効かせながらヒーターと併用で暖房を行うが、この時クーラーの霜取り作用で除湿を行っている。

本発明のヒートポンプ発電装置の電気自動車への応用でも第一循環系統の低圧飽和冷媒ガスをエバポレータ２４に通して霜取りを行いながら、第二循環系統から高温冷媒ガスをヒータコア２５に通すことにより除湿と暖房を行うことが出来る。

この時の温度管理はクーラー調整弁２０の開度とヒーター調整弁２１の開度をマイクロコンピューターで管理調整する必要があることは一般的なオートエアコンの制御と同一である。

一般的な自動車の空調能力は家の８畳部屋の２倍の能力が必要とされる。従ってここでカーエアコンの必要能力を、冷房約５，０００Ｗ、暖房約４，０００Ｗとすると、必要な集熱電力は冷凍サイクルのＣＯＰを３．８として
５÷３８≒１．３ｋｗｈ （５）
の圧縮機が必要となる。

また暖房時はヒートポンプ熱サイクルのＣＯＰを６として
４÷（６−１）≒０．８ｋｗｈ （６）

本発明のヒートポンプ発電装置の第二循環系統ランキンサイクルから排熱される熱量を全て暖房に使ったとして、排熱として廃棄される熱量は第一循環系統から集熱される全熱量から３７％発電に使用され伝達効率２％を引いた残り３５％とすると、必要な第一循環系統からの集熱量は
０．８ｘ（１÷０．３５）≒２３ｋｗｈ （７）

ここで上記冷凍サイクルのＣＯＰを３．８とすると
２．３÷３．８≒０．６ｋｗｈ （８）

したがって冷房、暖房の必要電力の大きい方を最低必要電力とすると（５）の１．３ｋｗｈの圧縮機があれば快適な空調設備と推測できる。

上記実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１圧縮機、２熱交換器、３凝縮器、４第二循環系統蒸発器、５タービン、６発電機、７電磁弁、８排熱ファン、９復水器、１０復水ポンプ、１２圧力調整タンク、１３電子膨張弁、１４集熱ファン、１５過冷却コンデンサー、１６予熱コンデンサー、１７第一循環系統蒸発器、１８蓄電器、２０クーラー調整弁、２１ヒーター調整弁、２２ＨＶＡＣ、２３ブロア、２４エバポレータ、２５ヒーターコア

Claims (3)

1. 圧縮機、凝縮器を含む熱交換器、電子膨張弁、蒸発器を含む熱サイクル装置であって、外気の熱を取込む第一循環系統のヒートポンプ熱サイクルと、同じく蒸発器を含む第一循環系統と同一の熱交換器、タービン、タービンに連結した発電機、復水器、圧力調整タンク、復水ポンプを含む第二循環系統のランキンサイクル発電装置を備え、第一循環系統のヒートポンプ熱サイクルで集熱した熱エネルギーを、熱交換器を通して第二循環系統に移し、第二循環系統のランキンサイクル発電装置で熱エネルギーを電気エネルギーに変換する冷媒複合循環を備えたヒートポンプ発電装置。
2. 第二循環系統のタービンから出た高温冷媒ガスの配管を分岐させ、第一循環系統の蒸発器の前に予熱コンデンサーとして配置し、この予熱コンデンサーに分岐した第二循環系統の高温冷媒ガスを通すことにより、冬季など外気の温度が低温の場合、取込む外気温を暖め第一循環系統の蒸発器による集熱作用を促進する排熱再利用循環装置。
3. 請求項１の第一循環系統熱サイクルの膨張弁から出た低温低圧冷媒ガスを蒸発器に入る前で配管を分岐し、電気自動車室内ＨＶＡＣのエバポレータに通しカークーラー及び除湿器として作用する空気調和装置であって、同じく第二循環系統ランキンサイクル発電装置のタービンから出た高温冷媒ガスの配管を分岐して、今度は電気自動車室内ＨＶＡＣ内に具備するエバポレータの後に配置したヒータコアに通すことにより、電気自動車の室内を暖めることができる排熱再利用暖房装置であり、冬季などガラスが曇った場合エバポレータに低温冷媒ガスを通しクーラーとして作動させながら除湿を行い、ヒータコアに排熱を通すことにより暖房できる電気自動車用空気調和装置。

Images