JP2017508943A - 熱電併給機関および該熱電併給機関を動作させるための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体（１６）を蒸発可能な少なくとも一つの蒸発装置（３）と、流体（１６）を圧縮可能な少なくとも一つの圧縮装置（４）と、流体（１６）を凝縮可能な少なくとも一つの凝縮装置（５）と、流体（１６）とこの流体（１６）に圧縮装置（４）によって混入可能な別の流体（１７）とを蓄積することが可能な蓄積装置（６）と、流体（１６）を膨張可能な少なくとも一つの膨張装置（７）と、を備える、流体（１６）を案内する循環系（２）を備えた熱電併給機関（１）に関する。蓄積装置（６）は混合装置（８）を有し、混合装置（８）によって流体（１６）と別の流体（１７）とをエマルジョン形成のために混合することができる。また、本発明は、熱電併給機関（１）を動作させるための方法にも関する。

Description

本発明は、流体を蒸発可能な少なくとも一つの蒸発装置と、流体を圧縮可能な少なくとも一つの圧縮装置と、流体を凝縮可能な少なくとも一つの凝縮装置と、流体および圧縮装置によって流体に混入可能な別の流体を蓄積することが可能な蓄積装置と、流体を膨張可能な少なくとも一つの膨張装置と、を有する、流体を案内する循環系を備えた熱電併給機関（Kraftwaermemaschine）に関する。また、本発明は、そのような熱電併給機関を動作させるための方法にも関する。

ヒートポンプや冷却機械を含む熱電併給機関では、機械的エネルギーによって、比較的低い温度レベルの熱エネルギーが、より高い温度レベルへ引き上げられる。冷却機においてもヒートポンプにおいても、通常は、オイル潤滑式コンプレッサが流体を圧縮するために使用される。流体が圧縮された後で、かつ流体が凝縮器で凝縮される前に、オイル分離器が使用され、このオイル分離器がコンプレッサまたは他の圧縮装置からの流出油を流体から分離する。これに続き、混入油が圧縮機に戻される。基本的には、完全な分離は不可能である。そのため、混入油の一部は、冷却機やヒートポンプの凝縮器にも到達する。特に大型設備（＞２０ｋＷ）の場合、凝縮器の下流に蓄積器が設置される。この蓄積器は、流体およびこの流体中に含まれるオイルを一時的に蓄えるために用いられ、これにより、常に液状の流体が、流体通流方向で見て蓄積器の下流側に設けられた膨張弁（膨張装置）の内部に到達する。この蓄積器を用いることによって、熱電併給機関の熱源若しくはヒートシンク側における動作の変動、負荷の変化または温度変化をも和らげることが可能である。この種の蓄積器は、特に、複数の蒸発器を備えた設備に必要である。

但し、各熱電併給機関で使用される流体は、さらなる物理的特性の他に、油（コンプレッサオイル）と比較して適切な濃度を有すべきであり、さらに、油と混合可能であるべきである。これにより、流体が例えば油よりも高い濃度を有し、その結果、油が蓄積器内に浮遊し、長期間そこに溜まってコンプレッサに戻されないような事態が回避される。コンプレッサオイルと混合可能である流体（例えばＲ１３４ａ）を使用することによって、浮遊オイルが流体内に溶け、流体を膨張弁まで通流させることができる。

本発明の課題は、熱電併給機関で使用される流体の高い濃度並びにその非混和性のもとでも、特に支障のない動作が行われる、冒頭に述べたような形式の熱電併給機関、並びにそのような熱電併給機関を動作させる方法を提供することである。

上記の課題は、請求項１の特徴を有する熱電併給機関および請求項９の特徴を有する方法によって解決される。本発明の有用な改善構成を有する好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

互いに大きな濃度差を有し、さらに付加的にまたは代替的に互いに非混和性を有するような流体も熱電併給機関において使用することができるようにするために、本発明によれば、蓄積装置が混合装置を有し、この混合装置によって、流体および別の流体を、エマルジョン形成のために混合可能であるように構成される。

このような混合装置の使用により、熱電併給機関において使用される、作動流体として用いられる流体と、例えば圧縮装置（例えばコンプレッサ）から分離される、例えばコンプレッサオイルとして形成された別の流体との間で、可能な限り均質な混合が形成される。即ち、この混合装置を用いることにより、たとえこの流体と別の流体の濃度が互いに著しく異なる場合であっても、つまりこの流体の濃度が別の流体の濃度よりも著しく高いかまたは低い場合であっても、あるいは、たとえ別の流体がこの流体と混合できない場合であっても、流体内で別の流体の特に均質な分散が達成される。換言すれば、蓄積装置が混合装置を有することによって、分散相（別の流体）と連続相（凝縮されこれに伴い流動性の流体）からエマルジョンを生成することが可能になる。このエマルジョンの形成によって、微細に分散されたコンプレッサオイルの油滴が、流体と一緒に膨張弁まで到達することができ、これによって、たとえ流体と別の流体との間で著しい濃度差があったとしても、エマルジョン内での２つの流体の均質な分布が特に効果的に達成される。これによって、熱電併給機関の流体と別の流体との混合不良または不均質な混合による濃度に起因する動作変動も、コンプレッサ（圧縮装置）の潤滑剤供給不足も、十分に回避することができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、混合装置は、流体通流方向で見て蓄積装置の上流に配置されている。

混合装置を蓄積装置の上流に配置することによって、凝縮装置（凝縮器）から流出した流体並びに別の流体が、特に均質なエマルジョンとして蓄積器にさらに送出される。

さらなる利点は、別の流体がコンプレッサオイルとして形成されている場合に明らかになる。

流体と別の流体（コンプレッサオイル）との均質な混合によって、特に、圧縮装置（コンプレッサ）の潤滑剤供給不足が回避されることが十分に保証される。換言すれば、流体内に均質に分散されるコンプレッサオイルによって特に均質なコンプレッサの潤滑が保証される。

さらなる利点によれば、混合装置は、静的ミキサーとして構成されている攪拌器を有している。

攪拌器は、特に攪拌器が静的ミキサーとして構成されている場合には、エマルジョンを形成するために、流体と別の流体を混合する特に低コストで効率的な手段を示す。静的ミキサーは、通流に影響を与える例えば螺旋形態を形成する要素から成っており、この要素は、流体の通流を交互に分割し、その後再び合流させる。換言すれば、流体と別の流体の通流の動きによってそれらの混合が特に効果的な方法で引き起こされ、これに応じて特に均質なエマルジョンが、流体内で別の流体の最小滴の特に均質な分布と共に形成される。混合装置は、例えばパイプ部材内に収容される静的攪拌器として構成される。

さらなる好ましい実施形態によれば、蓄積装置は、マグネチックスターラーを有している。

この種のマグネチックスターラーは、特に小型に構成することが可能であり、そのため、特に狭幅な空間において、流体および別の流体からエマルジョンを形成するために用いることが可能である。

さらなる利点は、マグネチックスターラーが複数の金属ブレードを有している場合に明らかになる。

金属ブレードの使用により、別の流体が特に迅速に、かつ特に均質に流体内に分散される。マグネチックスターラー並びに金属ブレードは、例えば蓄積装置の縁部まで拡張させることができ、そのため、流体と別の流体からなる混合物の特に集中的な撹拌または循環を達成することができる。換言すれば、金属ブレードは、エマルジョンの形態の均質な混合物を形成するための特に簡単でかつ効率的な乱流発生器を表している。

さらなる利点は、蓄積装置がその周辺領域に配置されたソレノイドを有し、このソレノイドによってマグネチックスターラーを回転可能である場合に明らかになる。

ソレノイドを用いることにより、マグネチックスターラーは、非接触で回転可能になる。この場合、マグネチックスターラーと例えば電気モータなどの機械的な駆動ユニットとの複雑な結合、並びに各結合要素、例えば駆動軸の流体流出に対するシーリングは不要となる。周辺領域とは、この場合例えば流体および別の流体を収容し、例えば蓄積器として構成され、かつその内部にマグネチックスターラーを収容している容器の外壁（または外周面）に相当する。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、蓄積装置は、非磁性材料から形成されている蓄積器を有している。

この蓄積器は、凝縮装置から流れ出た流体並びに別の流体を蓄え、さらなる使用のためにバッファする蓄積装置の容器に相当している。この蓄積器が非磁性材料（例えば非磁性の特殊鋼）から形成される場合、ソレノイドによって駆動されるマグネチックスターラーも、特に効果的にかつソレノイドによって構築された磁場への（蓄積器による）阻害なしで利用することができる。

本発明に係る、流体を有する熱電併給機関を動作させる方法によれば、流体が少なくとも一つの蒸発装置によって蒸発させられ、圧縮装置によって圧縮され、少なくとも一つの凝縮装置によって凝縮され、蓄積器を含む蓄積装置によって、流体に前記圧縮装置によって混入された別の流体と一緒に蓄積され、さらに流体が膨張装置によって膨張させられる。蓄積装置は、エマルジョンを形成するために、流体に別の流体を混合するための混合装置を含んでいる。

流体と別の流体からの可能な限り均質なエマルジョンの形成によって、熱電併給機関の濃度に起因する動作変動が特に十分に阻止され、加えて、特に均質でかつ連続的な圧縮装置の潤滑剤供給が保証される。

本発明に係る熱電併給機関に対して記載した利点や好ましい実施形態は、本発明に係る方法にも当て嵌まり、その逆も当て嵌まる。

上記説明において言及した特徴および特徴の組み合せ、並びに以下の図面の説明において言及する、かつ／または図面中に単独で示される特徴および特徴の組み合せは、それぞれに示された組み合わせにおけるのみならず、本発明の枠組みから逸脱することなく、他の組み合わせにおいても、あるいはそれら自身においても適用可能である。

本発明のさらなる利点、特徴および詳細は、特許請求の範囲、好ましい実施形態の以下の説明並びに図面に基づいて明らかとなる。

熱電併給機関に対する一例として、流体並びにコンプレッサオイルとして形成された別の流体を蓄積するための従来技術から公知の蓄積器が用いられている、ヒートポンプの循環系の概略図。 蓄積器を空にするために、コンプレッサとして形成された圧縮装置の圧力側から蓄積器へ高温ガスバイパスが導かれている、従来技術から公知の実施形態の図。 熱電併給機関の蓄積装置が、静的ミキサーとして構成された本発明に係る混合装置を有し、該混合装置によって流体および別の流体からのエマルジョンが形成され得る、本発明に係るヒートポンプとして構成された熱電併給機関の循環系の概略図。 本発明に係る混合装置が、金属ブレードを有するマグネチックスターラー並びに蓄積装置の周辺領域に配置されたソレノイドを備えている、蓄積装置のさらなる実施形態のさらなる概略図。

図１には、本件においてヒートポンプとして構成される熱電併給機関１が概略図で示されている。この熱電併給機関１においては、蒸発器として構成された蒸発装置３が、コンプレッサまたは圧縮器として構成された圧縮装置４と、凝縮器として構成された凝縮装置５と、膨張弁として構成された膨張装置７と一緒に循環系２を形成している。この循環系２は、ここでは詳細には示していないが流体１６が案内されるパイプシステムを含んでいる。流体１６は、熱電併給機関１内で使用される流体に対応しており、この媒体は、蒸発、圧縮、凝縮された後に膨張される。通常は同じ動作中に圧縮装置４から別の流体１７の分離が生じる。この別の流体１７は、本件ではコンプレッサオイルに相当し、このコンプレッサオイルは、圧縮装置４の支障のない動作を維持するための潤滑剤として用いられる。この別の流体１７（コンプレッサオイル）の熱電併給機関１の循環系２内への流出は、確かに望ましいことではないが、完全に回避することはできない。流体１６と、圧縮装置４によって流体１６に混入される別の流体１７は、矢印で示される流体通流方向１０にしたがって熱電併給機関１の循環系２内を移動する。

圧縮装置、つまりコンプレッサまたは圧縮器の潤滑オイル供給不足を回避するために、熱電併給機関１は、蓄積器９を有する蓄積装置６を備えている。この蓄積器９は、流体１６のバッファのために用いられ、これによって常に液状の流体１６が、膨張弁、つまり膨張装置７内へ到達する。このことは、流体１６および別の流体１７が相互に混合可能であり、かつ流体１６が別の流体１７よりも低いかまたは同レベルの濃度を有する限り、熱電併給機関１の熱源またはヒートシンク側の動作変動、負荷変動または温度変化のもとでも保証される。別の流体１７が蓄積器９内で上部（流体１６上）に浮遊しないことだけではなく、膨張装置７を介して圧縮装置４まで戻されることが保証される。従って、従来技術から公知の図１の実施形態に係る熱電併給機関１の支障のない動作を保証するために、使用される流体１６は、別の流体１７（コンプレッサオイル）よりも低い濃度を有するべきである。このことが当てはまる場合、蓄積器９内の別の流体１７自体は、下方の膨張装置７、つまり膨張弁まで通流する。つまり、従来技術に応じて、別の流体１７と混合可能である流体１６（例えばＲ１３４ａ）を使用する必要がある。この混和性により、流体１６内を浮遊するコンプレッサオイルは溶解され、流体１６と共に膨張弁まで通流可能となる。

以下で説明する図面は、既に図１に基づいて説明した特徴も含んでいるので、以下では改めてそれらに立ち入ることはしない。

図２には、熱電併給機関１のさらなる概略図に基づいて、圧縮装置４の圧力側を蓄積器９に接続する高温ガスバイパス１８が示されている。ここでは、この圧力側は、循環系２における流体通流方向１０で見て圧縮装置４の下流側でかつ凝縮装置５の上流側にある位置に対応している。圧縮された流体１６並びにその中に混入された別の流体１７（コンプレッサオイル）による直接の流体蒸発作用の結果、蓄積器９内に含まれる、流体１６および別の流体１７からなる混合物が、矢印で示す方向１９にしたがって空にされ、これに続き、流体１６から分離された別の流体１７が再び圧縮装置４に供給される。高温ガスバイパス１８がアクティブであり、これに応じて、流体１６および別の流体１７からなる圧縮された混合物が、圧縮装置４の圧力側から蓄積器９内に送出されている間、凝縮およびこれに伴う熱放散は何も行われない。換言すれば、流体蒸発作用の結果として蓄積器９が空にされる間、高温ガスバイパス１８の介在のもとで凝縮装置５、即ち凝縮器は休止している。これに応じて、凝縮装置５を圧縮装置４または蓄積装置６に接続している各管路２０は、流体蒸発作用の間、流体１６および別の流体１７からなる混合物によって通流されない。この解決手段は、非常に面倒で非効率的である。なぜなら、圧縮装置４が連続動作しているにもかかわらず、凝縮装置５を介して熱放散は何も行われず、他方、高温ガスバイパス１８を備えた熱電併給機関１は、高い保守費用と制御費用を必要とするからである。この制御費用は、例えば次のような理由から高くなる。なぜなら蓄積器９が空になり、これに応じて蓄積器９を空にした状態を再び終了し、これに伴って凝縮装置５が通流可能となったときを監視する必要があるからである。蓄積器９が比較的長期にわたって空になった場合、蓄積器９が過度に高い温度負荷にさらされる危険が生じるため、蓄積器９の空の状態を、特に監視する必要がある。

従来技術から公知の実施形態は、流体１６として、別の流体１７（コンプレッサオイル）よりも高い濃度を有し、付加的にまたは代替的に別の流体１７との非混和性を有している作動媒体が用いられるや否や不適切となる。なぜならその時から別の流体１７を圧縮装置４へ戻すことが保証できなくなるからである。

本発明によれば、コンプレッサオイルに相当する別の流体１７よりも高い濃度を有し、または別の流体１７との非混和性を有する作動媒体も流体１６として使用できるようにするために、以下で図３および図４に基づいて示されるような実施形態が特に適している。

図３および図４に示されている例示的な実施形態は、蓄積装置６が混合装置８を備えており、この混合装置８によって、流体１６および別の流体１７を、エマルジョンの形成のために混合することができる。図３に示されている混合装置８は、静的ミキサーとして構成された攪拌器１１を有しており、この攪拌器１１は、流体通流方向１０で見て蓄積装置６の上流に配置されている。つまり換言すれば、凝縮装置５から出た流体１６並びに別の流体１７は、混合装置８によって、別の流体１７（コンプレッサオイル）からなる分散相と、先行する凝縮のために液状の流体１６からなる連続相とからのエマルジョン形成のために攪拌される。つまり、別の流体１７の油滴は、混合装置８によって流体１６内に特に微細に分散される。この状態において、微細に分散した油滴は、流体１６と一緒に膨張弁、つまり膨張装置７に送出される。混合装置８は、特に簡単に実装することができ、これに応じて、当該装置内で攪拌器１１が矢印で示されている回転運動２１に応じて回転する直管部分を含んでいる。作動流体（流体１６）内で特に微細な油滴（別の流体１７）の分散を達成するために、その後の蓄積器９内のエマルジョンの滞留時間に依存して、多かれ少なかれ強い分散と、その結果としての多かれ少なかれ強い攪拌とが混合装置８の攪拌器１１によって必要とされる。

図４に示す実施形態では、熱電併給機関１において、蓄積装置６が、複数の金属ブレード１３を有するマグネチックスターラー１２を備えている。さらに、この蓄積装置６は、その周辺領域１４に配置されたソレノイド１５を有しており、このソレノイド１５によって、マグネチックスターラー１２は回転運動２１に応じて回転可能である。周辺領域１４は、本発明によれば蓄積器９の容器壁部の外周面に相当する。マグネチックスターラー１２は、蓄積器９内部に、即ち容器または蓄積容器内部に組み込まれ、ソレノイド１５の進行磁場によって回転する。ソレノイド１５によるマグネチックスターラー１２の駆動を保証するために、蓄積器９は、非磁性材料で形成されている。

図３に提示している実施形態は、例えばソレノイド１５のような付加的構成要素なしでも折り合うが、比較的長い滞留時間を超えてエマルジョンを蓄積するべき蓄積器９に対する自身の限界に突き当たる。流体１６および別の流体１７からなるエマルジョンの比較的長い滞留時間のもとでも、２つの流体１６，１７の分離を阻止するためには、図４に基づいて提示したソレノイド１５を有する実施形態が特に適している。

つまり、混合装置８においては、攪拌器１１による２つの流体１６，１７の積極的な混合が求められている。混合装置８によるエマルジョン形成により、流体１６は、その濃度およびそのつどの別の流体１７とのその混合特性に依存することなく、熱電併給機関１内で使用することができ、この場合、凝縮装置５における熱放散の中断やコストのかかる保守作業はなくなる。

Claims (9)

1. 流体（１６）を案内する循環系（２）を備えた熱電併給機関（１）であって、
   前記流体（１６）を蒸発可能な少なくとも一つの蒸発装置（３）と、
   前記流体（１６）を圧縮可能な少なくとも一つの圧縮装置（４）と、
   前記流体（１６）を凝縮可能な少なくとも一つの凝縮装置（５）と、
   前記流体（１６）と、該流体（１６）に前記圧縮装置（４）によって混入可能な別の流体（１７）とを蓄積することが可能な蓄積装置（６）と、
   前記流体（１６）を膨張可能な少なくとも一つの膨張装置（７）と、
   を有している、熱電併給機関（１）において、
   前記蓄積装置（６）が混合装置（８）を有し、該混合装置（８）によって前記流体（１６）と前記別の流体（１７）は、エマルジョン形成のために混合可能であることを特徴とする熱電併給機関（１）。
2. 前記混合装置（８）は、流体の流れ方向（１０）で見て、前記蓄積装置（６）の上流に配置されている、請求項１記載の熱電併給機関（１）。
3. 前記別の流体（１７）は、コンプレッサオイルとして形成されている、請求項１または２記載の熱電併給機関（１）。
4. 前記混合装置（８）は、静的ミキサーとして構成されている攪拌器（１１）を有している、請求項１から３いずれか１項記載の熱電併給機関（１）。
5. 前記蓄積装置（６）は、マグネチックスターラー（１２）を有している、請求項１から３いずれか１項記載の熱電併給機関（１）。
6. 前記マグネチックスターラー（１２）は、複数の金属ブレード（１３）を有している、請求項５記載の熱電併給機関（１）。
7. 前記蓄積装置（６）は、その周辺領域（１４）に配置されたソレノイド（１５）を有しており、該ソレノイドによって前記マグネチックスターラー（１２）は回転可能である、請求項５または６記載の熱電併給機関（１）。
8. 前記蓄積装置（６）は、非磁性材料から形成された蓄積器（９）を有している、請求項１から７いずれか１項記載の熱電併給機関（１）。
9. 熱電併給機関（１）を動作させる方法であって、
   少なくとも一つの蒸発装置（３）によって流体（１６）を蒸発させるステップと、
   少なくとも一つの圧縮装置（４）によって前記流体（１６）を圧縮するステップと、
   少なくとも一つの凝縮装置（５）によって前記流体（１６）を凝縮するステップと、
   蓄積器（９）を有する蓄積装置（６）によって、前記流体（１６）と、該流体（１６）に前記圧縮装置（４）によって混入された別の流体（１７）とを蓄積するステップと、
   膨張装置（７）によって前記流体（１６）を膨張させるステップと、
   を含み、
   前記蓄積装置（６）が、エマルジョンを形成するために、前記流体（１６）に前記別の流体（１７）を混合するための混合装置（８）を備えていることを特徴とする方法。

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