JP2014005776A - 空調発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】空調による廃熱を有効に利用することができる空調発電システムを提供する。
【解決手段】空気調節部１は膨張弁１１と蒸発器１２と圧縮機１３と凝縮器１４とにより所定の沸点を有する第１の冷媒を循環させる第１の冷媒循環経路を構成する。電力生成部２は放熱器２２と吸熱器２４とタービン２５とにより第１の冷媒よりも沸点が高い第２の冷媒を循環させる第２の冷媒循環経路を形成する。放熱器２２及び吸熱器２４は協働して空気調節部１の廃熱を吸収し、吸収した廃熱をタービン２５及び発電機２６によって電力に変換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムに関し、より詳しくは、空調発電システムに関する。

図４は、従来の空調装置の一例における冷媒が循環流通する経路を示す図である。図中、符号１００は従来例の空調システムで、概ね膨張弁１０１と、該膨張弁と連通するように設けられた蒸発器１０２と、該蒸発器１０２と連通するように設けられた圧縮機１０３と、該圧縮機１０３と連通するように設けられた凝縮器１０４と、蒸発器１０２と凝縮器１０４との近くに配置された２つのファン１０５、１０５と、タンク１０６と、を備えている。膨張弁１０１と蒸発器１０２と圧縮機１０３と凝縮器１０４とで冷媒を循環させる冷媒循環経路を形成する。蒸発器１０２は、内部空間の空気の熱を吸収して冷媒を蒸発させるように構成され、気化された冷媒により熱を蒸発器１０２から凝縮器１０４へ送出する。凝縮器１０４は冷媒から熱をファン１０５により外部に放出するように構成される（例えば特許文献１参照）。

台湾登録実用新案第２２２１０２号明細書

従来の空調システム１００は、空調システムにおける熱を外部へ放出するので、温室効果をきたすことになる。また、この空調システム１００は多量の廃熱を発生して外部へ排出しているので、地球温暖化の防止を妨げてしまうという問題点もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、空調による熱を有効に利用することができる空調発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、膨張弁と、前記膨張弁に連結された蒸発器と、前記蒸発器に連結された圧縮機と、前記圧縮機及び前記膨張弁の間に連結された凝縮器と、を有し、前記膨張弁と前記蒸発器と前記圧縮機と前記凝縮器とにより第１の冷媒を循環させる第１の冷媒循環経路を構成する空気調節部と、前記蒸発器の近くに配置された放熱器と、前記凝縮器の近くに配置され前記放熱器に連結された吸熱器と、前記放熱器及び前記吸熱器の間に配置されたタービンと、前記タービンに連結された発電機と、を有し、前記放熱器と前記吸熱器と前記タービンとにより第２の冷媒を循環させる第２の冷媒循環経路を形成し、前記第２の冷媒が前記タービンを流れて前記タービンで機械エネルギーを生成し、前記発電機は前記タービンによる機械エネルギーを電力に変換する電力生成部を備えていることを特徴とする空調発電システムを提供する。

本発明にかかる空調発電システムによれば、放熱器と蒸発器との間、及び吸熱器と凝縮器との間で熱交換を行うように構成されているので、放熱器及び吸熱器は協働して空気調節部の廃熱を吸収し、吸収した廃熱をタービン及び発電機によって電力に変換する。このようにして電力生成部は空気調節部による廃熱を電力に変換することができる。

本発明に係る空調発電システムの実施例１の内部構成を概略的に示す図である。 本発明に係る空調発電システムの実施例２の内部構成を概略的に示す図である。 実施例２に係る空調発電システムにおいて用いられるスターリングエンジンを示す図である。 従来の空調装置の一例における冷媒が循環流通する経路を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る空調発電システムにおける冷媒が循環流通する経路を示す図である。本発明の実施例１に係る空調発電システムは、図示のごとく、空気調節部１と、電力生成部２と、制御部３と、電池部３１と、を備えている。

空気調節部１は、膨張弁１１と、膨張弁１１に連結された蒸発器１２と、蒸発器１２に連結された圧縮機１３と、圧縮機１３及び膨張弁１１の間に連結された凝縮器１４と、を有する。膨張弁１１と蒸発器１２と圧縮機１３と凝縮器１４とは、所定の沸点を有する第１の冷媒を循環させる第１の冷媒循環経路を構成する。なお、第１の冷媒は例えば二酸化炭素である。

空気調節部１は更に蒸発器１２の近くに配置されたファン１５と、膨張弁１１及び凝縮器１４の間に配置されたタンク１６と、を有する。蒸発器１２及びファン１５は、空調発電システムに設けられた吹出し口側に配置されている。

電力生成部２は、蒸発器１２の近くに配置された放熱器２２と、放熱器２２に連結された冷媒ポンプ２３と、凝縮器１４の近くに配置され冷媒ポンプ２３に連結された吸熱器２４と、放熱器２２及び吸熱器２４の間に配置されたタービン２５と、タービン２５に連結された発電機２６と、を有する。放熱器２２と冷媒ポンプ２３と吸熱器２４とタービン２５とは、第１の冷媒よりも沸点が高い第２の冷媒を循環させる第２の冷媒循環経路を形成する。なお、第２の冷媒としては例えば水又はアンモニアを用いることができる。放熱器２２の近くにはファンが取り付けられている。

冷媒ポンプ２３は、第２の冷媒循環経路を流れる第２の冷媒の圧力を上げるように作動することができる。タービン２５は第２の冷媒がタービン２５を流れて機械エネルギーを得るように作動することができる。発電機２６はタービン２５から得られた機械エネルギーを電力に変換可能に作動する。

この実施例において、タービン２５はタービン軸を有し、圧縮機１３は第１のクラッチ２７を介してタービン２５のタービン軸に連結されている圧縮機軸を有する。ここで、第１のクラッチ２７は、オーバーランニングクラッチ又はフリーホイールクラッチである。これによりタービン２５の回転が圧縮機１３及び発電機２６の回転を補助する。

また、この実施例において、タービン２５及び発電機２６には共通軸が設けられており、タービン２５が回転すると発電機２６が駆動されて電力を生成する。なお、一実施例として、冷媒ポンプ２３は他のクラッチ機構を介して発電機２６に連結されてもよい。

この実施例において、電力生成部２は更に、第１の冷媒循環経路と熱交換を行うように蒸発器１２と圧縮機１３との間に配置されている低温端２１１と、第２の冷媒循環経路と熱交換を行うように放熱器２２とタービン２５との間に配置されている高温端２１２と、が設けられた熱電素子２１を有し、低温端２１１と高温端２１２との温度差を用いて電力を生成するように構成される。

制御部３は、電池部３１、熱電素子２１及び発電機２６に連結されていると共に、圧縮機１３及び冷媒ポンプ２３に連結されており、電池部３１、熱電素子２１及び発電機２６のいずれかからの圧縮機１３及び冷媒ポンプ２３への電力の供給を制御する。

ここで空調発電システムの始動においては、まず電池部３１から電力を圧縮機１３及び冷媒ポンプ２３へ供給されることに注意されたい。そして、発電機２６が発電し始めると、制御部３は発電機２６により生成された電力を圧縮機１３及び冷媒ポンプ２３へ供給するように制御する。

次に、以上のように構成された本発明に係る空調発電システムの動作を説明する。

図１に示すように、空調発電システムの駆動中、第１の冷媒循環経路における第１の冷媒は、膨張弁１１に流れる前においては、例えば温度が約３５℃の高圧液体であるが、空気調節部１の膨張弁１１によって減圧されて低圧の霧状になり、温度が例えば約−１０℃に下がる。膨張弁１１により減圧された第１の冷媒は蒸発器１２にてファン１５による空気と熱交換をすると、蒸発して低圧の気体状態になり温度が例えば約−５℃に上がる。そして第１の冷媒は熱電素子２１の低温端２１１を流れた後、温度が例えば約５℃に上がり、圧縮機１３によって圧縮されて高圧になり、温度が例えば約１２５℃に上がる。それから第１の冷媒は凝縮器１４によって高圧液体に凝縮されると共に熱が放出され、温度が例えば約３５℃に下がる。次に液体に凝縮された第１の冷媒はタンク１６に収容され、空調発電システムの駆動により再び膨張弁１１に流れる。

第２の冷媒循環経路において、第２の冷媒は、電力生成部２の熱電素子２１の高温端２１２へ流れる前においては、例えば温度が約６０℃で気圧が中圧の霧状体であるが、第２の冷媒が熱電素子２１の高温端２１２に流れると、高温端２１２と低温端２１１との温度差により電力が生成されると共に、第２の冷媒の温度は例えば約５０℃に下がる。第２の冷媒が放熱器２２に流れると、放熱して蒸発器１２を流れる第１の冷媒と熱交換をし、第２の冷媒が中圧液体に凝縮されて、その温度が例えば約３０度に下がる。第２の冷媒が冷媒ポンプ２３に流れると、高圧液体になって吸熱器２４に流れる。第２の冷媒は、吸熱器２４にて凝縮器１４に流れる第１の冷媒の熱を吸収すると、高圧で且つ温度が例えば１２０℃の高温の気体に気化される。

この実施例では、凝縮器１４及び吸熱器２４が互いに隣接して設けられているので、凝縮器１４を流れる第１の冷媒は吸熱器２４を流れる第２の冷媒と中間媒介物を介さずに直接熱エネルギーを交換することができるので、熱交換効率がより良い。

高温高圧状態である第２の冷媒がタービン２５を流れると、タービン２５に機械エネルギーが発生する。第２の冷媒はタービン２５を通過すると温度が例えば６０℃に下がる。発電機２６は、タービン２５からの機械エネルギーを電力に変換し、この電力を制御部３を介して圧縮機１３に供給するように作動する。タービン２５の軸の回転速度が圧縮機１３の軸のそれよりも速い場合、タービン２５の軸の回転は第１のクラッチ２７を介して圧縮機１３の軸の回転を補助する。

本発明に係る空調発電システムについて、空調機器の性能指標の１つとして用いられているＣＯＰ（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）値を用いて評価する。空気調節部１のＣＯＰ値は、環境温度が高いほど高くなる。この実施例では、放熱器２２が蒸発器１２の近くに配置されていることにより、空気調節部１のＣＯＰ値は４．５にまで上がった。つまり、圧縮機１３に約１０キロワットの電力が供給されると、空気調節部１は４５キロワットの熱エネルギーを生成する。また、吸熱器２４、タービン２５及び発電機２６が協働することにより廃熱の２０％〜３０％を例えば、約９キロワットから１３．５キロワットの電力に変換することができる。また、熱電素子２１の発電量は約１キロワット〜２キロワットである。このように、本発明に係る空調発電システムは廃熱を有効に利用して発電をすることができる。

（実施例２）
図２は、本発明に係る空調発電システムの実施例２の内部構成を概略的に示す図である。この実施例２において、実施例１の構成における熱電素子２１に代わって、熱機関２８及び補助発電機２９を用いる。以下、実施例１と異なる点を中心に説明する。

熱機関２８は熱エネルギーを運動エネルギーに変換可能なもので、補助発電機２９は、熱機関２８に連結され、熱機関２８の運動エネルギーを電力に変換可能なものである。なお、この例では、熱機関２８はスターリングエンジンであり、蒸発器１２と圧縮機１３との間の第１の冷媒循環経路において熱交換を行うように蒸発器１２と圧縮機１３との間に配置されている低温端２８１と、放熱器２２とタービン２５との間の第２の冷媒循環経路において熱交換を行うように放熱器２２とタービン２５との間に配置されている高温端２８２と、を有する。

第１の冷媒循環経路は、熱機関２８の低温端２８１と熱交換を行うように配置されている第１の曲がり部分１０を有し、第２の冷媒循環経路は、熱機関２８の高温端２８２と熱交換を行うように配置されている第２の曲がり部分２０を有する。

上記のように構成された本発明の実施例２に係る空調発電システムによれば、上記実施例１に係る空調発電システムによる効果と同様な効果をも得ることができる。

以上のように、本発明にかかる空調発電システムは、電力生成部２の第２の冷媒循環経路は、熱電素子２１の低温端２１１と高温端２１２との間もしくは熱機関２８の低温端２８１と高温端２８２との間、放熱器２２と蒸発器１２との間、及び吸熱器２４と凝縮器１４との間で、空気調節部１の第１の冷媒循環経路と熱交換を行うように構成されている。熱電素子２１又は熱機関２８は、温度差により電力を発生する。放熱器２２及び吸熱器２４は協働して空気調節部１の廃熱を吸収し、吸収した廃熱をタービン２５及び発電機２６によって電力に変換する。このようにして電力生成部２は空気調節部１による廃熱を電力に変換することができる。

以上のように、空気調節部１のＣＯＰ値は環境温度が高いほど高くなるものであり、放熱器２２が蒸発器１２の近くに配置されているので、ＣＯＰ値をより高くすることができ、エネルギー消耗が少なく済む。また、熱電素子２１もしくは熱機関２８及び発電機２６が制御部３によって連結されているので、熱電素子２１もしくは熱機関２８及び発電機２６により生成された電力が、制御部３を介して連結された圧縮機１３と冷媒ポンプ２３とに供給される。従って、空調発電システムの電力消耗が少なくて済む。また、電力が余剰した場合、これを出力して他用に利用することもできる。

以上、本発明を実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。

本発明に係る空調発電システムは、空気調節を行うと共に発電するシステムとして有用である。

１ 空気調節部
１１ 膨張弁
１２ 蒸発器
１３ 圧縮機
１４ 凝縮器
１５ ファン
１６ タンク
２ 電力生成部
２１ 熱電素子
２１１ 低温端
２１２ 高温端
２２ 放熱器
２３ 冷媒ポンプ
２４ 吸熱器
２５ タービン
２６ 発電機
２７ 第１のクラッチ
２８ 熱機関（スターリングエンジン）
２８１ 低温端
２８２ 高温端
２９ 補助発電機
３ 制御部
３１ 電池部
１０ 第１の曲がり部分
２０ 第２の曲がり部分

Claims (10)

1. 膨張弁と、前記膨張弁に連結された蒸発器と、前記蒸発器に連結された圧縮機と、前記圧縮機及び前記膨張弁の間に連結された凝縮器と、を有し、前記膨張弁と前記蒸発器と前記圧縮機と前記凝縮器とにより第１の冷媒を循環させる第１の冷媒循環経路を構成する空気調節部と、
   前記蒸発器の近くに配置された放熱器と、前記凝縮器の近くに配置され前記放熱器に連結された吸熱器と、前記放熱器及び前記吸熱器の間に配置されたタービンと、前記タービンに連結された発電機と、を有し、前記放熱器と前記吸熱器と前記タービンとにより第２の冷媒を循環させる第２の冷媒循環経路を構成し、前記第２の冷媒が前記タービンを流れて前記タービンで機械エネルギーを生成し、前記発電機が前記タービンによる機械エネルギーを電力に変換する電力生成部と、
   を備えていることを特徴とする空調発電システム。
2. 前記電力生成部は更に、前記蒸発器と前記圧縮機との間の前記第１の冷媒循環経路において熱交換を行うように前記蒸発器と前記圧縮機との間に配置されている低温端と、前記放熱器と前記タービンとの間の第２の冷媒循環経路において熱交換を行うように前記放熱器と前記タービンとの間に配置されている高温端と、が設けられた熱電素子を有することを特徴とする請求項１に記載の空調発電システム。
3. 更に熱エネルギーを運動エネルギーに変換する熱機関と、前記熱機関に連結され、前記熱機関の運動エネルギーを電力に変換する補助発電機と、を有し、前記熱機関は、前記蒸発器と前記圧縮機との間の第１の冷媒循環経路において熱交換を行うように前記蒸発器と前記圧縮機との間に配置されている低温端と、前記放熱器と前記タービンとの間の第２の冷媒循環経路において熱交換を行うように前記放熱器と前記タービンとの間に配置されている高温端と、を有することを特徴とする請求項１に記載の空調発電システム。
4. 前記第１の冷媒循環経路は、前記熱機関の前記低温端と熱交換を行うように配置されている第１の曲がり部分を有し、前記第２の冷媒循環経路は前記熱機関の前記高温端と熱交換を行うように配置されている第２の曲がり部分を有することを特徴とする請求項３に記載の空調発電システム。
5. 前記熱機関はスターリングエンジンであることを特徴とする請求項３又は４に記載の空調発電システム。
6. 前記電力生成部は、更に前記第２の冷媒循環経路において前記第２の冷媒の圧力を上げるように前記放熱器と前記吸熱器との間に連結されて設けられた冷媒ポンプを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の空調発電システム。
7. 更に電池部と、前記電池部及び前記電力生成部に連結されている制御部と、を有し、前記制御部は、更に前記圧縮機及び前記冷媒ポンプの一方又は両方に連結され、前記電池部及び前記電力生成部のいずれかから前記圧縮機及び前記冷媒ポンプの一方又は両方への電力の供給を制御することを特徴とする請求項６に記載の空調発電システム。
8. 更にクラッチを有し、前記タービンはタービン軸を有し、前記圧縮機は前記クラッチを介して前記タービン軸に連結されている圧縮機軸を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかの項に記載の空調発電システム。
9. 前記第１の冷媒は、前記第２の冷媒よりも沸点が低いことを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の空調発電システム。
10. 前記第１の冷媒は二酸化炭素、前記第２の冷媒は水又はアンモニアであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかの項に記載の空調発電システム。

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