JP2017083082A - ヒートポンプ - Google Patents

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Abstract

【課題】ＣＡＥＳ技術の一部をヒートポンプとして利用することで、空気と水のみを利用し、温熱を供給できる空気冷媒ヒートポンプを提供する。
【解決手段】ヒートポンプ２は、入力電力により駆動されるモータ６と、モータ６と機械的に接続され、空気を圧縮する第１圧縮機８と、第１圧縮機８で圧縮した圧縮空気と水とで熱交換する第１熱交換器１４と、第１熱交換器１４で熱交換して昇温した水を取り出す第１温水取出口３８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプに関する。より詳しくは、空気を冷媒とするヒートポンプに関する。
従来のヒートポンプは、冷媒として主にＨＦＣ（HydroFluoroCarbon）フロン系やＣＯ２を使用している。このため、冷媒が漏洩すると、温暖化や大気中のＣＯ２増大が懸念される。従って、地球環境に悪影響を及ばさない自然冷媒による冷暖房システムが検討されている。
現状のヒートポンプの成績係数ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）を９０°Ｃ及び７℃の熱供給条件で比較すると以下の程度である。
自然冷媒（ＣＯ２）ヒートポンプ：ＣＯＰ３．０
吸収式ヒートポンプ：ＣＯＰ１．５
吸着式ヒートポンプ：ＣＯＰ０．６〜０．７
代替フロンヒートポンプ：ＣＯＰ４．５
空気冷媒冷凍機：ＣＯＰ０．４４
究極の自然冷媒である空気については空気冷媒冷凍機がある。しかし、空気冷媒冷凍機は、超低温域での凍結などに用途が限定され、且つＣＯＰ０．４４程度であるため性能面で有利でない。
また、作動流体として空気を使用し、再生可能エネルギーのような不規則に変動する不安定な発電出力を平滑化する技術として、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）と呼ばれる技術が知られている。特許文献１のＣＡＥＳ発電装置は、余剰な発電電力が生じた際に圧縮機から吐出される圧縮空気を蓄え、必要な時に空気タービン発電機等で電気に再変換する。
特開２０１３−５１２４１０号公報
特許文献１のＣＡＥＳ発電装置は、再生可能エネルギーのような不規則に変動する不安定な発電出力を平滑化することを目的とし、空気を冷媒とするヒートポンプとして利用することについては特段の示唆もされていない。
本発明は、ＣＡＥＳ技術の一部をヒートポンプとして利用することで、空気と水のみを利用し、温熱を供給できる空気冷媒ヒートポンプを提供することを課題とする。また、従来から効率を向上させた空気冷媒ヒートポンプを提供することを課題とする。
本発明は、入力電力により駆動される電動機と、前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮した圧縮空気と水とで熱交換する第１熱交換器と、前記第１熱交換器で熱交換して昇温した水を取り出す第１温水取出口とを備える、ヒートポンプを提供する。
第１圧縮機の圧縮熱により空気温度を上昇させ、第１熱交換器で温度上昇した空気と水とで熱交換して水を昇温させて温水を作ることで第１温水取出口から温水を取り出すことができる。また、作動流体は空気及び水であるため、大気中に漏洩しても無害である。
前記第１圧縮機で圧縮した圧縮空気によって駆動される膨張機と、前記膨張機と機械的に接続された負荷発生部と、前記膨張機で膨張された空気と水とで熱交換する第２熱交換器と、前記第２熱交換器で熱交換して降温した水を取り出す冷水取出口とをさらに備えることが好ましい。さらに好ましくは、前記膨張機で膨張され前記第２熱交換器に供給される空気は、−５０℃から−１１０℃である。
膨張機における膨張時の吸熱により空気を降温させ、好ましくは−５０℃から−１１０℃に降温させ、第２熱交換器でこの降温した空気と水とで熱交換し、水を冷却して冷水取出口から冷水として取り出すことができる。また、温水だけでなく冷水も取り出すことができるため、ＣＯＰを増加させ、性能を向上できる。
前記第１圧縮機で圧縮された圧縮空気を貯蔵する第１蓄圧部をさらに備え、前記膨張機は、前記第１蓄圧部から供給される圧縮空気によって駆動され、前記負荷発生部は、発電機であり、前記発電機は、前記膨張機により駆動されて発電することが好ましい。
第１蓄圧部により圧縮空気としてエネルギーを蓄積し、必要なときに圧縮空気を膨張機に供給して発電機を駆動して発電することで、冷熱および温熱だけでなく、電力の平滑化も同時に可能である。
前記膨張機及び前記第１蓄圧部の少なくとも１つに流体的に接続された第２蓄圧部と、前記第１圧縮機により圧縮された圧縮空気よりも高圧に空気を圧縮して前記第２蓄圧部に供給する第２圧縮機とをさらに備えることが好ましい。
第２蓄圧部と第２圧縮機を設けることで、商用電力系統の停電等の非常時に長時間にわたって緊急電源と冷水を供給できる。これは、データセンタや大型のコンピュータ等の停電時においても非常用電力が必要で、かつ大量の冷熱が必要な需要家に対して特に有効である。
前記発電機で発電した電力の供給先を、前記電動機又は需要先に切り替える切替機構をさらに備えることが好ましい。
切替機構を設けることで、必要に応じて電力の供給先を切り替えることができる。具体的には、通常時には発電機の発電電力を需要先に供給しつつ、需要先からの電力需要がない場合には電動機に電力を供給して第１圧縮機を駆動することで、発電機の発電電力を有効利用できる。特に、需要先からの電力需要がない場合には、電力をシステム内で循環利用するため、システム外から必要な供給電力を低減でき、従って成績係数ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）を増加させ、性能を向上できる。
前記負荷発生部は、前記電動機であることが好ましい。
電動機と負荷発生部を一体化することで、装置の構成要素を減らすことができ、装置を小型化できる。特に、負荷発生部が発電機の場合、電動発電機を使用して第１圧縮機と膨張機を機械的に接続すればよい。
前記電動機及び前記負荷発生部に起因して発生する熱を回収し、前記回収した熱により水を昇温させ、第２温水取出口から温水として取り出す熱回収機構を有することが好ましい。
電動機等に起因する電気ロスやメカロスによって発生する熱を回収して温水を作るために利用できる。
本発明によれば、空気冷媒ヒートポンプにおいて、ＣＡＥＳ技術の一部をヒートポンプとして利用することで、空気と水のみを利用して温熱を供給できる。また、従来から効率を向上できる。
本発明の第１実施形態に係るヒートポンプの概略構成図。 図１のヒートポンプの冷暖房兼発電運転時のＣＯＰの内訳を示す棒グラフ。 図１のヒートポンプの冷暖房専用運転時のＣＯＰの内訳を示す棒グラフ。 本発明の第２実施形態に係るヒートポンプの概略構成図。 本発明の第３実施形態に係るヒートポンプの概略構成図。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ２の概略構成図を示している。本実施形態のヒートポンプ２は、発電装置４から入力電力を受け、空気を冷媒として２種類の温水（温水Ａ，Ｂ）と冷水と冷気とを作り出し、暖房及び冷房に利用する。作動流体は空気及び水であるため、大気中に漏洩しても無害である。
本実施形態では、環境性を考慮して発電装置４として風力発電や太陽光発電等の再生可能エネルギーを利用したものを用いているが、発電装置４の種類は特に限定されない。代替的には、発電装置４は商用電源に接続された電力系統等であってもよい。
本実施形態のヒートポンプ２は、モータ（電動機）６、第１圧縮機８、膨張機１０、発電機（負荷発生部）１２、第１熱交換器１４、及び第２熱交換器１８を備え、空気配管２０ａ〜２０ｃ及び給水配管２２ａ〜２２ｇによりこれらが流体的に接続されている。
まず、空気配管２０ａ〜２０ｃの経路について説明する。
発電装置４により発電された電力は、モータ６に供給される。以降、発電装置４からモータ６に供給される電力を入力電力という。モータ６は、入力電力により駆動される。
第１圧縮機８は、モータ６と機械的に接続されており、モータ６によって駆動される。第１圧縮機８の吐出口８ｂは、空気配管２０ｂを通じて膨張機１０の給気口１０ａと流体的に接続されている。第１圧縮機８は、モータ６により駆動されると、吸気口８ａより空気を吸気し、圧縮して吐出口８ｂより吐出し、空気配管２０ｂを通じて膨張機１０に圧縮空気を圧送する。空気配管２０ｂには、第１熱交換器１４が設けられている。
第１熱交換器１４では、第１圧縮機８から膨張機１０へと延びる空気配管２０ｂ内の圧縮空気と、後述する給水部２８から第１温水取出口３８へと延びる給水配管２２ｂ内の水とで熱交換し、第１圧縮機８で発生した圧縮熱で給水配管２２ｂ内の水を加熱している。即ち、第１熱交換器１４では、圧縮空気の温度は低下し、水の温度は上昇する。第１熱交換器１４では、熱交換量を調整することでそれぞれ所定の温度に調整でき、本実施形態では水を常温以上に昇温させ、圧縮空気を常温以下に降温させている。ここで、水の常温とは、工業用水の温度や、クーリングタワーを用いて大気と熱交換した後の水の温度等であり、一般的には５〜３０℃の範囲で、地域や季節によって変動する。また、空気の常温とは、大気の温度であり、一般的には０〜４０℃の範囲で、地域や季節によって変動する。
膨張機１０は、発電機１２と機械的に接続されている。給気口１０ａから圧縮空気を給気された膨張機１０は、給気された圧縮空気により作動し、発電機１２を駆動する。発電機１２はスイッチ２４を介して電力系統１６及びモータ６に電気的に接続されている（図１の一点鎖線参照）。従って、発電機１２で発電した電力（以降、発電電力という）は、電力系統１６又はモータ６に供給される。発電電力の供給先は、スイッチ（切替機構）２４を切りかえることで変更できる。スイッチ２４の切り替えは、電力系統１６から要求される需要電力に応じて切り替えられてもよい。具体的には、発電機１２から電力系統１６に電力送電が不要な場合、冷暖房専用運転として、スイッチ２４を切り替えて発電機１２の発電電力を第１圧縮機８のモータ６に供給する。発電機１２から電力系統１６に電力送電が必要な場合、冷暖房発電兼用運転として、スイッチ２４を切り替えて発電機１２の発電電力を電力系統１６に供給する。特に、需要先からの電力需要がなく、発電機１２から電力系統１６に電力送電が不要な場合、冷暖房専用運転として電力をシステム内で循環利用するため、モータ６を駆動するために必要なシステム外からの供給電力を低減でき、従って成績係数ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）を増加させ、性能を向上できる。
膨張機１０で膨張された空気は、膨張時の吸熱により冷却され、排気口１０ｂから空気配管２０ｃ内に送出される。膨張機１０の給気口１０ａに供給された圧縮空気は、第１熱交換器１４により常温以下に降温されているため、膨張機１０でさらに冷却されることで確実に常温以下の冷気として空気配管２０ｃ内に送出される。空気配管２０ｃには第２熱交換器１８が設けられている。常温以下に降温した冷気は、空気配管２０ｃを通じて第２熱交換器１８に供給される。
第２熱交換器１８では、膨張機１０から冷気取出口２６まで延びる空気配管２０ｃ内の常温以下の空気と、後述する分流部３６から冷水取出口３０まで延びる給水配管２２ｃ内の水とで熱交換し、水を常温以下に降温させている。即ち、第２熱交換器１８では、空気の温度は上昇し、水の温度は低下する。ただし、第２熱交換器１８では、熱交換量を調整することで、空気は加熱されるものの常温以下に維持されている。第２熱交換器１８での熱交換後、常温以下に維持された空気、即ち冷気は空気配管２０ｃを通じて冷気取出口２６に供給され、冷気取出口２６からヒートポンプの外部に取り出され、冷房に利用される。冷房の需要先は、例えば、コンピュータの冷却に膨大な冷房が求められるデータセンタや、製造工程における制約から一定温度に調整しておくことが求められる精密機械工場及び半導体工場等がある。
次に、給水配管２２ａ〜２２ｇの経路について説明する。
給水部２８から供給された水は、給水配管２２ａ内でポンプ３２ａにより加圧され流動する。給水配管２２ａには、クーリングタワー３４が設けられており、給水配管２２ａ内の水はクーリングタワー３４により一定温度まで冷却される。冷却温度は、例えば常温程度あってもよいし、個々の熱交換器１４，１８，４０，４２における熱交換量に基づいて決定されてもよい。給水配管２２ａは、クーリングタワー３４下流の分流部３６で給水配管２２ｂ〜２２ｅに分かれる。
給水配管２２ｂは、一端が分流部３６、他端が第１温水取出口３８に接続されている。給水配管２２ｂに設けられた第１熱交換器１４において常温以上に昇温した水は、第１温水取出口３８から温水Ａとしてヒートポンプの外部に取り出され、暖房等に利用される。
給水配管２２ｃは、一端が分流部３６、他端が冷水取出口３０に接続されている。給水配管２２ｃに設けられた第２熱交換器１８において常温以下に降温した水は、冷水取出口３０から冷水としてヒートポンプの外部に取り出され、冷房等に利用される。このように、温水だけでなく冷水も取り出すことができるため、成績係数ＣＯＰを増加させ、性能を向上できる。
給水配管２２ｄは、一端が分流部３６、他端が第２温水取出口４４に接続されている。給水配管２２ｅは、一端が分流部３６、他端が第３熱交換器４０下流の給水配管２２ｄに合流している。給水配管２２ｄ及び給水配管２２ｅには、内部の水を昇温させるために、第３熱交換器４０及び第４熱交換器４２がそれぞれ設けられている。
本実施形態では、モータ６及び発電機１２に起因する電気ロスやメカニカルロスのような圧縮熱と比較すると小さいが温水を作り出すことのできる熱も回収するために、第３熱交換器４０及び第４熱交換器４２が設けられている。電気ロスには、モータ６及び発電機１２に起因する図示しないインバータロス及びコンバータロスを含む。第３熱交換器４０及び第４熱交換器４２では、給水配管２２ｄ及び給水配管２２ｅ内の水と、モータ６及び発電機１２から熱回収しポンプ３２ｂ，３２ｃにより循環する熱媒配管２１ａ，２１ｂ内の潤滑油等の熱媒とでそれぞれ熱交換している。即ち、第３熱交換器４０及び第４熱交換器４２では、水の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。所定の温度まで昇温された水は、温水Ｂとして第２温水取出口４４よりヒートポンプの外部に取り出される。従って、熱媒配管２１ａ，２１ｂ、第３熱交換器４０、及び第４熱交換器４２は、本発明の熱回収機構４６に含まれる。第２温水取出口４４より取り出された温水Ｂは、第１温水取出口３８より取り出された温水Ａより、通常温度が低いため、比較的低温でも利用可能な温浴施設、温水プール、及び農業施設等で暖房に利用することが考えられる。
冷房及び暖房に利用された冷水及び温水Ａ，Ｂは、給水配管２２ｆ，２２ｇを通じて排水部４８から回収される。排水部４８と給水部２８は図示しない配管により接続されており、排水部４８から回収された水は再び給水部２８から給水配管２２ａを通じてクーリングタワー３４を介して個々の熱交換器１４，１８，４０，４２に供給される。即ち、本実施形態で使用される水は、給水配管２２ａ〜２２ｇにおいて循環使用されている。
好ましくは、第１熱交換器１４及び第２熱交換器１８は、所望の温度の温水Ａ，Ｂ、冷水、及び冷気を得るために大容量の熱交換が可能であるプレート熱交換器を使用する方がよい。
なお、本実施形態の第１圧縮機８及び膨張機１０は、その種類は限定されず、スクリュ式、スクロール式、ターボ式、及びレシプロ式などであってもよい。ただし、本実施形態の発電装置４に対応するように再生可能エネルギーなどの不規則に変動する入力電力に対しては、応答性高くリニアに追従するためにスクリュ式が好ましい。また、本実施形態の第１圧縮機８及び膨張機１０の数は共に１台であるが、台数は特に限定されず、２台以上を並列に設けてもよい。
ヒートポンプ２の性能について説明する。
ヒートポンプ２のような冷暖房システムの性能を評価するための係数として成績係数ＣＯＰがある。ＣＯＰはシステムへの供給電力Ｌｉを発生電熱量ＬＱで割ることにより求められる（ＣＯＰ＝ＬＱ／Ｌｉ）。本実施形態では、スイッチ２４により、冷暖房発電兼用運転と冷暖房専用運転とが切り替え可能である。従って、両運転モードについて、以下、システムへの供給電力Ｌｉや発生電熱量ＬＱの個々の回収熱量を例示しつつ説明するが、例示する数値については特に本発明の範囲を限定する意図ではない。
図２Ａは本実施形態の冷暖房発電兼用運転の場合、図２Ｂは冷暖房専用運転の場合のＣＯＰの内訳を示す棒グラフである。
まず、図２Ａを参照して冷暖房発電兼用運転の場合について説明する。
システムへの供給電力Ｌｉは、発電装置４により発電され、モータ６を駆動するために発電装置４から９０ｋＷ程度の電力として供給される。
発生電熱量ＬＱは、取り出した温水Ａ、温水Ｂ、冷水、及び冷気の熱量の合計に、発電機１２で発電して電力系統１６に供給した電力量Ｌｇを加算したもので表される。
第１温水取出口３８から取り出される温水Ａは、第１圧縮機８における圧縮熱を利用して第１熱交換器１４で加熱された温水である。本実施形態では、例えば９０℃程度の温水Ａを回収でき、回収熱量は６５ｋＷ程度である。温水Ａの回収温度は、第１圧縮機８の吐出空気温度が−１０℃〜６０℃程度となるように第１熱交換器１４の仕様を調整して決定してもよい。
第２温水取出口４４から取り出される温水Ｂは、モータ６及び発電機１２における電気ロスやメカニカルロスにより発生する熱を利用して第３熱交換器４０及び第４熱交換器４２で加熱された温水である。本実施形態では、例えば７０℃程度の温水Ｂを回収でき、回収熱量は１５ｋＷ程度である。
冷気取出口２６から取り出される冷気は、膨張機１０における膨張時の吸熱により冷却された冷気である。本実施形態では、例えば膨張機１０の排気口１０ｂから送出される冷気が−５０℃から−１１０℃程度であり、そこから第２熱交換器１８で加熱されて最終的に１０℃〜１７℃程度の冷気を回収でき、回収熱量は７ｋＷ程度である。
冷水取出口３０から取り出される冷水は、膨張機１０から送出される冷気により第２熱交換器１８で冷却された冷水である。本実施形態では、例えば７℃程度の冷水を回収でき、回収熱量は４０ｋＷ程度である。
発電機１２で発電して電力系統１６に供給する電力量Ｌｇは、４０ｋｗ程度である。
発生電熱量ＬＱは、これらの合計であるためＬＱ＝１６７（＝１５＋６５＋４０＋７＋４０）ｋＷとなる。
従って、本実施形態における冷暖房発電兼用運転時のヒートポンプ２の成績係数は、ＣＯＰ＝１．８６（＝１６７ｋＷ／９０ｋＷ）となる。
次に、図２Ｂを参照して冷暖房専用運転の場合について説明する。
システムへの供給電力Ｌｉは、風力発電や太陽光発電等の再生可能エネルギーを利用した発電装置４により発電され、モータ６を駆動するために５０ｋＷ程度の電力として供給される。モータ６を駆動するためには９０ｋＷ程度の電力が必要であるが、冷暖房専用運転の場合、発電機１２から残りの４０ｋＷ程度の電力がシステム内で循環供給される。従って、システムへの供給電力Ｌｉは５０ｋＷ程度となる。
発生電熱量ＬＱは、個々に取り出す熱量（温水Ａ，Ｂ、冷水、及び冷気）は、冷暖房発電兼用運転の場合と変わらないが、発電機１２で発電して電力系統１６に供給する電力量Ｌｇは存在しないため０ｋＷとなる。従って、発生電熱量ＬＱは、これらの合計であるためＬＱ＝１２７（＝１５＋６５＋４０＋７＋０）ｋＷとなる。
従って、本実施形態における冷暖房専用運転時のヒートポンプ２の成績係数は、ＣＯＰ＝２．５４（＝１２７ｋＷ／５０ｋＷ）となり、従来までの空気冷媒のヒートポンプから大きく性能が改善され、従来まで困難であったＣＯＰ＝２．０を超える。
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態のヒートポンプ２の概略構成図を示している。本実施形態のヒートポンプ２は、モータと発電機が一体となった電動発電機５０が使用されていることに関する以外は図１の第１実施形態の構成と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。
本実施形態では、モータと発電機が一体となった電動発電機５０を介して同軸に第１圧縮機８と膨張機１０が機械的に接続されている。電動発電機５０を使用して第１圧縮機８と膨張機１０を接続することで、圧縮空気の大気膨張トルクを空気圧縮トルクの補助として使用でき、電動発電機５０への入力電力を低減できる。第１実施形態から発電機１２（図１参照）が実質的に省略されたことで、熱回収機構４６が簡略化され、第１実施形態から熱媒配管２１ｂ（図１参照）、ポンプ３２ｃ、及び第４熱交換器４２（図１参照）が省略されている。このため、システムコストを低減できると共に、発電機における電気ロスやメカロス、さらに発電機用インバータロス及びコンバータロスを削減できる。
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態のヒートポンプ２の概略構成図を示している。本実施形態のヒートポンプ２は、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置２である。具体的には、ＣＡＥＳ発電装置２は、図１に示す第１実施形態のヒートポンプ２の構成に加えて、第１蓄圧タンク（第１蓄圧部）５２及び第２蓄圧タンク（第２蓄圧部）５４を備える。ＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮空気の形式でエネルギーを貯蔵でき、必要に応じて電力に変換できるため、風力発電や太陽光発電等の再生可能エネルギーを利用した発電装置４のように発電する電力が不規則に変動する不安定な発電を平滑化できる。本実施形態では、第１実施形態と構成を共通する部分が多いため、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。
本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、第１圧縮機８から膨張機１０へと延びる空気配管２０ｂに第１圧縮機８から吐出された圧縮空気を貯蔵する第１蓄圧タンク５２が設けられている。即ち、第１蓄圧タンク５２には圧縮空気の形式でエネルギーを蓄積できる。第１蓄圧タンク５２で蓄えられた圧縮空気は、空気配管２０ｃを通じて膨張機１０に供給される。空気配管２０ｃにはバルブ５６が設けられており、バルブ５６を開閉することで膨張機１０への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。第１蓄圧タンク５２により圧縮空気としてエネルギーを貯蔵し、必要に応じて膨張機１０に圧縮空気を供給して発電機１２を駆動して発電することで再生可能エネルギーによる発電装置４の発電出力を平滑化できる。
また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、第１圧縮機８よりも空気を高圧に圧縮する第２圧縮機５８と、第１蓄圧タンク５２の許容蓄圧値よりも高圧の許容蓄圧値を有する第２蓄圧タンク５４とを備える。ここで許容蓄圧値とは、蓄圧タンクの故障や破壊につながらない最高使用圧力のことをいう。
第２圧縮機５８には、第１圧縮機８と同様にモータ７が機械的に接続されている。第２圧縮機５８は、モータ７に駆動されて、吸気口５８ａより吸気し、第１圧縮機８よりも高圧に空気を圧縮して、吐出口５８ｂから第２蓄圧タンク５４に圧縮空気を供給する。従って、第２蓄圧タンク５４内の圧力は、通常、第１蓄圧タンク５２内の圧力よりも高い。第１蓄圧タンクと第２蓄圧タンク５４の圧力（蓄圧値）の例として、第１蓄圧タンク５２を０．９８ＭＰａ未満とし、第２蓄圧タンク５４を４．５ＭＰａ程度とすることが考えられる。
第２蓄圧タンク５４は、第１蓄圧タンク５２及び膨張機１０と空気配管２０ｄを通じて流体的に接続されている。具体的には、空気配管２０ｄの一端は第２蓄圧タンク５４に流体的に接続され、他端は空気配管２０ｃに流体的に接続されている。空気配管２０ｄには流量調整バルブ６０が設けられており、流量調整バルブ６０の開度を調整することで第１蓄圧タンク５２及び膨張機１０に供給する空気の流量を調整できる。膨張機１０に減圧した高圧空気を供給することで発電機１２を駆動して発電し、第１蓄圧タンク５２に減圧した高圧空気を供給することで減少した第１蓄圧タンク５２に貯蔵された圧縮空気量を補うことができる。
第２蓄圧タンク５４と第２圧縮機５８を設けることで、停電等の非常時に長時間にわたって緊急電源と冷房を供給できる。具体的には、通常時、流量調整バルブ６０が閉じられており、第２蓄圧タンク５４の内圧が高く保たれている。停電等が起きて多くの発電量が必要な場合や、長時間発電して第１蓄圧タンク５２の内圧が低下した場合に、流量調整バルブ６０を開き、第２蓄圧タンク５４から膨張機１０に多くの圧縮空気を供給する。これにより、膨張機１０によって駆動される発電機１２の発電量の低下を防止でき、同時に冷気及び冷水を取り出すこともできる。これは、データセンタや大型のコンピュータ等の大量の冷熱が必要な需要家に対して特に有効である。
２ ヒートポンプ（圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置）
４ 発電装置
６，７ モータ（電動機）
８ 第１圧縮機
８ａ 吸気口
８ｂ 吐出口
１０ 膨張機
１０ａ 給気口
１０ｂ 排気口
１２ 発電機（負荷発生部）
１４ 第１熱交換器
１６ 電力系統
１８ 第２熱交換器
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 空気配管
２１ａ，２１ｂ 熱媒配管
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ 給水配管
２４ スイッチ（切替機構）
２６ 冷気取出口
２８ 給水部
３０ 冷水取出口
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ ポンプ
３４ クーリングタワー
３６ 分流部
３８ 第１温水取出口
４０ 第３熱交換器
４２ 第４熱交換器
４４ 第２温水取出口
４６ 熱回収機構
４８ 排水部
５０ 電動発電機
５２ 第１蓄圧タンク（第１蓄圧部）
５４ 第２蓄圧タンク（第２蓄圧部）
５６ バルブ
５８ 第２圧縮機
５８ａ 吸気口
５８ｂ 吐出口
６０ 流量調整バルブ

Claims (8)

  1. 入力電力により駆動される電動機と、
    前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する第１圧縮機と、
    前記第１圧縮機で圧縮した圧縮空気と水とで熱交換する第１熱交換器と、
    前記第１熱交換器で熱交換して昇温した水を取り出す第１温水取出口と
    を備える、ヒートポンプ。
  2. 前記第１圧縮機で圧縮した圧縮空気によって駆動される膨張機と、
    前記膨張機と機械的に接続された負荷発生部と、
    前記膨張機で膨張された空気と水とで熱交換する第２熱交換器と、
    前記第２熱交換器で熱交換して降温した水を取り出す冷水取出口と
    をさらに備える、請求項１に記載のヒートポンプ。
  3. 前記膨張機で膨張され前記第２熱交換器に供給される空気は、−５０℃から−１１０℃である、請求項２に記載のヒートポンプ。
  4. 前記第１圧縮機で圧縮された圧縮空気を貯蔵する第１蓄圧部をさらに備え、
    前記膨張機は、前記第１蓄圧部から供給される圧縮空気によって駆動され、
    前記負荷発生部は、発電機であり、
    前記発電機は、前記膨張機により駆動されて発電する、請求項２又は請求項３に記載のヒートポンプ。
  5. 前記膨張機及び前記第１蓄圧部の少なくとも１つに流体的に接続された第２蓄圧部と、
    前記第１圧縮機により圧縮された圧縮空気よりも高圧に空気を圧縮して前記第２蓄圧部に供給する第２圧縮機と
    をさらに備える、請求項４に記載のヒートポンプ。
  6. 前記発電機で発電した電力の供給先を、前記電動機又は需要先に切り替える切替機構をさらに備える、請求項４又は請求項５に記載のヒートポンプ。
  7. 前記負荷発生部は、前記電動機である、請求項２又は請求項３に記載のヒートポンプ。
  8. 前記電動機及び前記負荷発生部に起因して発生する熱を回収し、前記回収した熱により水を昇温させ、第２温水取出口から温水として取り出す熱回収機構を有する、請求項４から請求項７のいずれか１項に記載のヒートポンプ。
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