JP2018017412A - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】通年の総発電量を増加させるのに有利なランキンサイクルシステムを提供する。
【解決手段】
本開示のランキンサイクルシステム（１ａ）は、ヒートポンプサイクル経路（４）と、ランキンサイクル経路（３）と、冷却液経路（７）と、圧縮機（５）と、エンジン（２）と、ポンプ（１７）と、加熱器（６）と、膨張機（１６）と、第一放熱器（３１）と、を備える。圧縮機（５）は、冷媒を圧縮する。エンジン（２）は、圧縮機（５）を駆動し、冷却液経路（７）を流れる冷却液によって冷却される。ポンプ（１７）は、作動流体を圧送する。加熱器（６）は、ポンプ（１７）によって圧送された作動流体をエンジン（２）の排熱によって加熱する。膨張機（１６）は、加熱器（６）によって加熱された作動流体を膨張させる。第一放熱器（１５）は、膨張機（１６）から吐出された作動流体の熱を冷却液に放熱する。
【選択図】図１

Description

本開示は、ランキンサイクルシステムに関する。

従来、エンジンの排熱を熱源として利用してランキンサイクル装置を動作させて発電を行うエンジン駆動式空気調和装置が知られている。

例えば、特許文献１には、図４に示す通り、ランキンサイクル回路１４０を備えたエンジン駆動式空気調和装置が記載されている。このエンジン駆動式空気調和装置は、空気調和回路１１１及び冷却液回路１３０を備えている。ランキンサイクル回路１４０には、第２補助熱交換器１３３、プレート熱交換器１４１、膨張機１４２、ランキンサイクル用ラジエータ１４３、受液器１４４、及びポンプ１４５が配設されている。膨張機１４２は、プレート熱交換器１４１を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する。膨張機１４２には発電機１４６が機械的に接続されており、膨張機１４２で発生した機械的エネルギー（駆動力）を更に電気的エネルギーに変換する。膨張機１４２から流出した作動流体は、ランキンサイクル用ラジエータ１４３において室外空気と熱交換することで凝縮される。

空気調和回路１１１は、ガスエンジン１１０により駆動される圧縮機１１２から吐出された冷媒が圧縮機１１２に吸入されるまでの流路を形成する。空気調和回路１１１には、四方弁１１３、室外機熱交換器１１４、逆止弁１１５ａ、電子膨張弁１１５ｂ、膨張弁、室内機熱交換器、第１補助熱交換器１１６、電子膨張弁１１７、アキュムレータ１１８が設けられている。第１補助熱交換器１１６及び第２補助熱交換器１３３は、冷却液を供給可能な互いに独立の第１冷却液供給路１３６及び第２冷却液供給路１３７に配設されている。第１冷却液供給路１３６及び第２冷却液供給路１３７には、第１電子膨張弁１３８及び第２電子膨張弁１３９が配設されている。

冷却液回路１３０には、ウォーターポンプ１３１、第１補助熱交換器１１６、第２補助熱交換器１３３、及びサーモスタット１３５が設けられている。冷却液回路１３０は、バイパス流路１３４を含む。

冷房運転において、冷却液温度Ｔが低側温度Ｔ１を超え、かつ高側温度Ｔ２以下の場合には、ウォーターポンプ１３１から送り出されてガスエンジン１１０を通過した冷却液は、主として第２補助熱交換器１３３を経てウォーターポンプ１３１に戻る。冷房運転において、ランキンサイクル回路１４０は、ガスエンジン１１０の排熱で作動流体を加熱して動力として回収する。すなわち、第２補助熱交換器１３３において冷却液によりランキンサイクル回路１４０の作動流体を昇圧するべくガスエンジン１１０の排熱が利用される。その結果、ランキンサイクル回路１４０の動力回収効率が向上する。

暖房運転において、冷却液温度Ｔが低側温度Ｔ１を超え、かつ高側温度Ｔ２以下の場合には、ウォーターポンプ１３１から送り出されてガスエンジン１１０を通過した冷却液は、第１補助熱交換器１１６を経てウォーターポンプ１３１に戻る。この場合、第１補助熱交換器１１６において冷却液により空気調和回路１１１の冷媒を温めて蒸発させるべく、ガスエンジン１１０の排熱が利用される。その結果、空気調和回路１１１の暖房効率が向上する。暖房運転において、冷却液温度Ｔが高側温度Ｔ２を超える場合には、未使用状態にあるランキンサイクル用ラジエータ１４３を用いて、ランキンサイクル用ラジエータ１４３において冷却液から外部に放熱させる。これにより、ガスエンジン１１０の排熱を外部に放出させる。

特開２０１２−２４２０１５号公報

特許文献１に記載の技術に鑑みると、ランキンサイクルによる通年の総発電量を増加させるとともに発電効率を向上させる余地がある。加えて、ランキンサイクルの小型化を図る余地がある。そこで、本開示は、通年の総発電量を増加させるとともに発電効率を向上させ、かつ、小型化に有利なランキンサイクルシステムを提供する。

本開示は、
冷媒が流れるヒートポンプサイクル経路と、
作動流体が流れるランキンサイクル経路と、
冷却液が流れる冷却液経路と、
前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機と連結され、前記圧縮機を駆動するエンジンであって、前記冷却液経路を流れる冷却液によって冷却されるエンジンと、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記作動流体を圧送するポンプと、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記ポンプによって圧送された前記作動流体を前記エンジンの排熱によって加熱する加熱器と、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記加熱器によって加熱された前記作動流体を膨張させる膨張機と、
前記ランキンサイクル経路上及び前記冷却液経路上に跨って配置され、前記膨張機から吐出された前記作動流体の熱を前記冷却液に放熱する第一放熱器と、を備えた、
ランキンサイクルシステムを提供する。

上記のランキンサイクルシステムは、通年の総発電量を増加させるとともに発電効率を向上させることができ、かつ、小型化するのに有利である。

図１は、本開示のランキンサイクルシステムの実施形態の一例を示す構成図である。 図２Ａは、図１に示すランキンサイクルシステムの冷房運転における動作を説明する構成図である。 図２Ｂは、図１に示すランキンサイクルシステムの暖房運転における動作を説明する構成図である。 図３は、変形例に係るランキンサイクルシステムを示す構成図である。 図４は、従来のランキンサイクル回路を備えたエンジン駆動式空気調和装置を示す構成図である。

＜本発明者らの検討に基づく知見＞
本発明者らは、冷房及び暖房に利用されるヒートポンプサイクルの圧縮機をエンジンで駆動し、そのエンジンの排熱を利用してランキンサイクルを動作させるランキンサイクルシステムに関し、通年の発電を可能とするための検討を行った。検討の結果、本発明者らは、ランキンサイクルの膨張機から吐出された作動流体の熱を、エンジンを冷却するための冷却液に放熱することにより、通年の発電が可能となって、通年の総発電量を増加させることができることを新たに見出した。加えて、本発明者らは、ランキンサイクルの作動流体の熱をエンジンの冷却液に放熱することにより、作動流体が冷却されやすく発電効率を向上しやすいことを新たに見出した。さらに、本発明者らは、ランキンサイクルの膨張機から吐出された作動流体の熱を、エンジンを冷却するための冷却液に放熱すれば、ランキンサイクルに配置すべき放熱器を小型化しやすいことを新たに見出した。

本発明者らは、このような新たな知見に基いて本開示のランキンサイクルシステムを案出した。なお、特許文献１に記載の技術では、暖房運転において空気調和回路１１１で利用されないエンジン１１０の排熱はランキンサイクル用ラジエータ１４３において冷却液から外部（室外空気）に放熱されている。このように、暖房運転において、ランキンサイクル回路１４０は運転されておらず、ランキンサイクル用ラジエータ１４３は、エンジン１１０の排熱を室外空気に放熱するために使用されている。加えて、ランキンサイクル回路１４０の排熱はランキンサイクル用ラジエータ１４３において室外空気に放出される。ランキンサイクル用ラジエータ１４３は、空冷の熱交換器であるので小型化しにくい。

本開示の第１態様は、
冷媒が流れるヒートポンプサイクル経路と、
作動流体が流れるランキンサイクル経路と、
冷却液が流れる冷却液経路と、
前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機と連結され、前記圧縮機を駆動するエンジンであって、前記冷却液経路を流れる冷却液によって冷却されるエンジンと、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記作動流体を圧送するポンプと、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記ポンプによって圧送された前記作動流体を前記エンジンの排熱によって加熱する加熱器と、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記加熱器によって加熱された前記作動流体を膨張させる膨張機と、
前記ランキンサイクル経路上及び前記冷却液経路上に跨って配置され、前記膨張機から吐出された前記作動流体の熱を前記冷却液に放熱する第一放熱器と、を備えた、
ランキンサイクルシステムを提供する。

第１態様によれば、ランキンサイクルの膨張機から吐出された作動流体の熱が第一放熱器においてエンジンを冷却するための冷却液に放熱される。すなわち、エンジンを冷却するための冷却液をランキンサイクルの低温熱源として利用できる。第１態様によれば、エンジンを冷却するための冷却液は、ヒートポンプサイクル経路において冷房運転が行われているときにおいても、暖房運転が行われているときにおいても、ランキンサイクルの低温熱源として利用できる。このため、第１態様によれば、ランキンサイクルによる通年の発電が可能である。その結果、第１態様によれば、ランキンサイクルによる通年の総発電量を増加させることができる。第一放熱器において作動流体は冷却液経路を流れる冷却液によって冷却されるので、作動流体が冷却されやすく、ランキンサイクルによる発電効率を高めやすい。加えて、例えば、第一放熱器としてプレート式熱交換器を利用でき、フィンチューブ式熱交換器を用いて作動流体を空気によって冷却する場合に比べて、第一熱交換器は熱交換効率を高めやすい。このため、第一熱交換器は小型化しやすい。

本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記冷却液経路において前記冷却液が前記エンジンを冷却する位置よりも前記冷却液の流れの下流に配置され、前記冷却液が有する熱を放熱する第二放熱器をさらに備え、前記第一放熱器は、前記冷却液経路において前記第二放熱器よりも前記冷却液の流れの下流に配置されている、ランキンサイクルシステムを提供する。第２態様によれば、第二放熱器において放熱した冷却液が第一放熱器に導かれる。このため、第一放熱器に供給される冷却液の温度が低下しやすい。その結果、ランキンサイクルの低温熱源の温度が低くなりやすく、ランキンサイクルの発電効率をより高めやすい。

本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加えて、前記冷却液経路上及び前記ヒートポンプサイクル経路上に跨って配置され、前記冷却液と前記冷媒とを熱交換させる熱交換器をさらに備えた、ランキンサイクルシステムを提供する。第３態様によれば、例えば、ヒートポンプサイクル経路において暖房運転が行われている場合に、冷却液の熱の一部を冷媒に受け渡すことができる。このため、冷却液が冷媒によって冷却されることにより、第一放熱器に供給される冷却液の温度が低下しやすい。その結果、ランキンサイクルの低温熱源の温度が低くなりやすく、ランキンサイクルの発電効率をより高めやすい。

本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記ランキンサイクル経路において前記膨張機の出口と前記ポンプの入口との間に配置され、前記作動流体の熱を大気に放熱する空冷放熱器をさらに備えた、ランキンサイクルシステムを提供する。第４態様によれば、ランキンサイクルの膨張機から吐出された作動流体の熱を第一放熱器及び空冷放熱器の双方において放熱できる。このため、第一放熱器において作動流体から放熱される熱量が十分でない場合でも、空冷放熱器における作動流体の放熱によりランキンサイクルの発電効率を高めることができる。

本開示の第５態様は、第４態様に加えて、前記空冷放熱器は、前記ランキンサイクル経路において前記第一放熱器における前記作動流体の流路よりも前記作動流体の流れの下流に配置されている、ランキンサイクルシステムを提供する。例えば、エンジンが起動されて間もない期間において、冷却液経路を流れる冷却液の温度が低下しすぎないように調整する必要がある。この場合、第一放熱器に供給される冷却液の温度が比較的高く、第一放熱器において作動流体から放熱される熱量が十分でない可能性がある。第５態様によれば、第一放熱器に供給される作動流体の温度が高い場合でも、ある程度は、第一放熱器において作動流体から冷却液に放熱できる。加えて、第一放熱器を通過した作動流体が空冷放熱器において放熱することにより作動流体から十分な熱量が放熱される。その結果、ランキンサイクルの発電効率を高めることができる。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１に示す通り、ランキンサイクルシステム１ａは、ヒートポンプサイクル経路４と、ランキンサイクル経路３と、冷却液経路７と、圧縮機５と、エンジン２と、ポンプ１７と、加熱器６と、膨張機１６と、第一放熱器３１とを備えている。ヒートポンプサイクル経路４は、冷媒が流れる経路である。ランキンサイクル経路３は、作動流体が流れる経路である。冷却液経路７は、冷却液が流れる経路である。圧縮機５は、ヒートポンプサイクル経路４上に配置されており、冷媒を圧縮する。エンジン２は、圧縮機５と連結されており、圧縮機５を駆動する。エンジン２は、冷却液経路７を流れる冷却液によって冷却される。ポンプ１７は、ランキンサイクル経路３上に配置されており、作動流体を圧送する。加熱器６は、ランキンサイクル経路３上に配置されており、ポンプ１７によって圧送された作動流体をエンジン２の排熱によって加熱する。膨張機１６は、ランキンサイクル経路３上に配置されており、加熱器６によって加熱された作動流体を膨張させる。第一放熱器３１は、ランキンサイクル経路３上及び冷却液経路７上に跨って配置されており、膨張機１６によって膨張した作動流体の熱を冷却液に放熱する。

エンジン２は、例えば、１３Ａ等の都市ガスを燃焼させて発生したエネルギーを機械的仕事に変換するガスエンジンである。エンジン２は、例えば、クランクシャフト及びベルト伝導装置等の動力伝達機構（図示省略）によって圧縮機５に連結されている。これにより、エンジン２で発生した機械的仕事が圧縮機５に伝達され、圧縮機５が駆動される。エンジン２において燃料が燃焼することによって排気ガスが発生する。この排気ガスは、エンジン２の外部に排出される。例えば、エンジン２で発生した排気ガスは加熱器６に導かれ、ランキンサイクル経路３において加熱器６を流れる作動流体と熱交換して冷却され、その後大気に放出される。エンジン２は、都市ガス以外のガス燃料又はガソリン及び重油などの液体燃料を燃焼させて機械的仕事を得る機械であってもよい。

冷却液経路７は、エンジン２を冷却するための冷却液が流れる経路である。図１に示す通り、ランキンサイクルシステム１ａは、例えば第二放熱器１０をさらに備えている。第二放熱器１０は、冷却液経路７において冷却液がエンジン２を冷却する位置よりも冷却液の流れの下流に配置され、冷却液が有する熱を放熱する。第一放熱器３１は、冷却液経路７において第二放熱器１０よりも冷却液の流れの下流に配置されている。例えば、第二放熱器１０において冷却液が有する熱が大気に放熱される。すなわち、第二放熱器１０は例えば空冷の熱交換器である。第二放熱器１０は、例えばフィンチューブ式熱交換器等の公知の熱交換器である。

冷却液経路７には、例えば、冷却液ポンプ８、エンジンジャケット９、第二放熱器１０、及び第一放熱器３１が配置されており、これらのコンポーネントは閉回路を構成するように複数の配管によってこの順番で環状に接続されている。冷却液ポンプ８によって圧送された冷却液は、エンジンジャケット９を通る過程においてエンジン２で発生した熱を吸収し、例えば第二放熱器１０においてエンジンジャケット９で吸収した熱を大気に放熱する。第二放熱器１０を通過した冷却液は、第一放熱器３１に供給される。第一放熱器３１において、冷却液はランキンサイクル経路３を流れる作動流体と熱交換し、作動流体の熱が冷却液に放熱される。その後、冷却液は第一放熱器３１を出て冷却液ポンプ８に戻る。このエンジンジャケット９における冷却液による冷却により、エンジン２の温度が所望の温度範囲に保たれる。

図１に示す通り、ランキンサイクルシステム１ａは、例えば熱交換器１５をさらに備えている。熱交換器１５は、冷却液経路７上及びヒートポンプサイクル経路４上に跨って配置され、冷却液と冷媒とを熱交換させる。熱交換器１５は、例えばプレート式熱交換器及び二重管式熱交換器等の公知の熱交換器である。

例えば、冷却液経路７には、三方弁３０が配置されている。三方弁３０は、冷却液経路７においてエンジンジャケット９の出口と第一放熱器３１における冷却液の入口との間に配置されている。図１に示す通り、三方弁３０は、冷却液経路７においてエンジンジャケット９の出口と第二放熱器１０における冷却液の入口との間に配置されていてもよい。三方弁３０には、例えば、第一配管、第二配管、及び第三配管が接続されている。第一配管は、冷却液経路７におけるエンジンジャケット９の出口と三方弁３０との間の経路の少なくとも一部を定める配管である。第二配管は、三方弁３０から、第一放熱器３１、場合によっては第二放熱器１０に向かって延びており、冷却液経路７における三方弁３０と第一放熱器３１の冷却液の入口との間の経路の少なくとも一部を定める配管である。その経路には熱交換器１５における冷却液の流路は含まれない。第三配管は、三方弁３０から熱交換器１５に向かって延びており、冷却液経路７において三方弁３０と熱交換器１５における冷却液の入口との間の経路の少なくとも一部を定める配管である。なお、熱交換器１５における冷却液の出口は、第二配管によって定められた流路を含む、冷却液経路７における三方弁３０と第一放熱器３１の冷却液の入口との間の経路につながっている。例えば、熱交換器１５における冷却液の出口は、冷却液経路７における第二放熱器１０の冷却液の出口と第一放熱器３１の冷却液の入口との間の経路につながっている。

三方弁３０は、第二放熱器１０及び熱交換器１５に供給される冷却液の流量を調整可能な弁である。例えば、ヒートポンプサイクル経路４において冷房運転が行われている場合、三方弁３０を通過した冷却液が第二放熱器１０に向かって流れるように三方弁３０が制御される。一方、ヒートポンプサイクル経路４において暖房運転が行われている場合、三方弁３０を通過した冷却液が熱交換器１５に向かって流れるように三方弁３０が制御される。熱交換器１５において冷却液は冷媒との熱交換により冷却される。第二放熱器１０又は熱交換器１５を通過した冷却液は、第一放熱器３１に導かれる。

図１に示す通り、例えば、ヒートポンプサイクル経路４には、圧縮機５、四方弁１１、室内熱交換器１２、膨張弁１３、及び室外熱交換器１４が配置されている。これらのコンポーネントは、閉回路を構成するように複数の配管によって上記の順番で環状に接続されている。

圧縮機５は、上記の通り、動力伝達機構によってエンジン２と連結されており、エンジン２が作動することにより圧縮機５が駆動される。圧縮機５は、例えば、容積型の圧縮機である。容積型の圧縮機である圧縮機５は、例えばスクロール圧縮機、ロータリ圧縮機、スクリュー圧縮機、又は往復圧縮機である。

四方弁１１には、４本の配管が接続されている。四方弁１１に接続された４本の配管には、四方弁１１に冷媒を流入させるための一対の流入管と、四方弁１１から冷媒を流出させるための一対の流出管とを含む。四方弁１１は、一対の流入管の一方を通って四方弁１１に流入した冷媒を一対の流出管の一方に流出させ、かつ、一対の流入管の他方を通って四方弁１１に流入した冷媒を一対の流出管の他方に流出させる。また、四方弁１１は、四方弁１１の内部の流路を切り替えて、冷媒が四方弁１１から流出する方向（流路）を切り替えることができる。例えば、四方弁１１に接続された４本の配管は、第一配管、第二配管、第三配管、及び第四配管を含む。第一配管は、ヒートポンプサイクル経路４において圧縮機５の冷媒の吐出口と四方弁１１とをつなぐ経路の少なくとも一部を定めている。第二配管は、ヒートポンプサイクル経路４において四方弁１１と室内熱交換器１２とをつなぐ経路の少なくとも一部を定めている。第三配管は、ヒートポンプサイクル経路４において四方弁１１と室外熱交換器１４とをつなぐ経路の少なくとも一部を定めている。第四配管はヒートポンプサイクル経路４において四方弁１１と圧縮機５の冷媒の吸入口とをつなぐ経路の少なくとも一部を定めている。四方弁１１の内部の流路が切り替わることにより、状態Ａと状態Ｂとが選択的に切り替わる。状態Ａは、四方弁１１によって、第一配管の内部と第二配管の内部とが連通しているとともに第三配管の内部と第四配管の内部とが連通している状態である。状態Ｂは、四方弁１１によって、第一配管の内部と第三配管の内部とが連通しているとともに第二配管の内部と第四配管の内部とが連通している状態である。

室内熱交換器１２は、例えば建物の内部に設置されている。室内熱交換器１２において、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒と室内の空気とが熱交換することによって、冷媒が冷却又は加熱される。室内熱交換器１２として、例えば、フィンチューブ式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒が膨張弁１３を通過すると、冷媒が減圧膨張して低温かつ低圧になる。室外熱交換器１４は、例えば建物の外部に設置されている。室外熱交換器１４において、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒と大気とが熱交換することによって、冷媒が冷却又は加熱される。室外熱交換器１４として、例えば、フィンチューブ式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。

熱交換器１５は、冷却液回路７を流れる冷却液とヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒とを熱交換させることによって、冷媒を加熱する。ヒートポンプサイクル経路４における熱交換器１５の配置は特定の配置に制限されない。熱交換器１５は、例えば膨張弁１３及び圧縮機によって２つに分けられたヒートポンプサイクル経路４の２つの部分のうち、室外熱交換器１４を含む部分に配置されている。この場合、熱交換器１５は、例えば、圧縮機５の冷媒の吸入口又は四方弁１１と室外熱交換器１４との間に配置されている。

図１に示す通り、例えば、ランキンサイクル経路３において、膨張機１６、第一放熱器３１、ポンプ１７、及び加熱器６は、これらのコンポーネントが閉回路を構成するようにこの順番で環状に接続されている。

膨張機１６は、作動流体を膨張させることによって作動流体の有するエネルギーを回転動力に変換する。膨張機１６の回転軸には、発電機２１が接続されている。膨張機１６によって発電機２１が駆動される。膨張機１６は、例えば、容積型又は速度型の膨張機である。膨張機１６として利用可能な容積型の膨張機は、例えば、スクロール膨張機、ロータリ膨張機、スクリュー膨張機、及び往復膨張機である。膨張機１６として利用可能な速度型の膨張機は、例えば膨張タービンである。

膨張機１６は、望ましくは容積型の膨張機である。容積型の膨張機は、典型的には速度型の膨張機よりも広範囲の回転数で高い膨張機効率を発揮する。例えば、高い膨張機効率を維持したまま、定格回転数の半分以下の回転数で容積型の膨張機を運転することも可能である。つまり、高い膨張機効率を維持したまま、発電量を定格発電量の半分以下に低下させることができる。容積型の膨張機は、このような特性を持っているので、膨張機１６として容積型の膨張機を使用すればヒートポンプサイクル経路３における熱需要の変動によって発電量を柔軟に変動させる必要がある場合に対応できる。加えて、膨張機１６として容積型の膨張機を使用すれば、電力の需要の変動に応じるように高い膨張機効率を維持したまま発電量を変動させることができる。

第一放熱器３１は、膨張機１６から吐出された作動流体と冷却液経路７を流れる冷却液とを熱交換させることによって、作動流体を冷却し、かつ、冷却液を加熱する。第一放熱器２２は、例えば、プレート式熱交換器及び二重管式熱交換器等の公知の熱交換器である。

ポンプ１７は、第一放熱器３１から流出した作動流体を吸入し、加熱器６に向かって圧送する。ポンプ１７として、容積型又は速度型のポンプを使用できる。ポンプ１７として利用可能な容積型のポンプは、例えば、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、及びロータリポンプである。ポンプ１７として利用可能な速度型のポンプは、例えば、遠心ポンプ、斜流ポンプ、及び軸流ポンプである。

加熱器６は、エンジン２で発生した排気ガスが有する熱エネルギーを吸収する熱交換器である。加熱器６として、プレート式熱交換器及びフィンチューブ式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。エンジン２から供給された排気ガスとランキンサイクル経路３を流れる作動流体とが加熱器６において熱交換する。これにより、ランキンサイクル経路３を流れる作動流体が加熱され、蒸発する。

ランキンサイクル経路３を流れる作動流体は、望ましくは、所定の有機化合物である有機作動流体である。多くの場合、有機作動流体の沸点は低い。このため、ランキンサイクル経路３を流れる作動流体として有機作動流体を使用すれば、エンジン２から供給された排気ガスの温度が約２００℃〜４００℃であってもランキンサイクルシステム１ａのランキンサイクルが高い発電効率を発揮する。ランキンサイクル経路３を流れる有機作動流体として、ハロゲン化炭化水素及び炭化水素等の有機化合物を使用できる。ランキンサイクル経路３を流れる有機作動流体であるハロゲン化炭化水素は、例えば、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−１２３４ｚｅ、又はＲ−３５６ｍｆｃである。ランキンサイクル経路３を流れる有機作動流体である炭化水素は、例えば、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタン等のアルカンである。１種類の有機化合物が有機作動流体として単独で使用されてもよいし、２種類以上の有機化合物が混合された混合物が有機作動流体として使用されてもよい。場合によっては、ランキンサイクル経路３を流れる作動流体として、水、二酸化炭素、及びアンモニアなどの無機化合物が使用されてもよい。

ランキンサイクルシステム１ａの動作の一例を説明する。まず、ヒートポンプサイクル経路４において冷房運転が行われる場合のランキンサイクルシステム１ａの動作の一例を説明する。図２Ａに示す通り、冷房運転において、エンジン２が作動して圧縮機５が回転することにより、圧縮機５に吸入された冷媒が圧縮されて高温かつ高圧の蒸気となり、四方弁１１に導かれる。冷房運転において、四方弁１１の状態は状態Ｂである。圧縮機５から吐出されて四方弁１１を通過した冷媒は、熱交換器１５に供給される。図２Ａに示す通り、冷房運転において、冷却液経路７において冷却液の全量が第二放熱器１０に供給されるように三方弁３０が制御されている。すなわち、冷房運転において、冷却液は熱交換器１５には供給されない。このため、冷媒は、冷却液経路７を流れる冷却液から熱を受け取ることなく熱交換器１５を通過する。冷媒は、その後室外熱交換器１４に流入する。冷媒は、室外熱交換器１４において大気と熱交換して冷却されて低温かつ高圧の状態となり、膨張弁１３に導かれる。冷媒は、膨張弁１３において減圧膨張して低温かつ低圧の状態になり、その後室内熱交換器１２に供給される。冷媒は、室内熱交換器１２において室内の空気と熱交換して加熱される。これにより、室内の空気が冷却され、室内が冷房される。室内熱交換器１２を通過した冷媒は、四方弁１１を通って、圧縮機５の吸入口から圧縮機５の内部に流入する。なお、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、一点鎖線の矢印はヒートポンプサイクル経路４における冷媒の流れを示し、実線の矢印はランキンサイクル経路３における作動流体の流れを示し、二点鎖線の矢印は冷却液回路７における冷却液の流れを示す。

図２Ａに示す通り、冷房運転において、ポンプ１７は作動流体を圧送し、ポンプ１７によって圧送され高圧になった作動流体は加熱器６に流入する。作動流体は、加熱器６において、エンジン２における燃料の燃焼によって発生したエンジン２の排気ガスとの熱交換により加熱されて蒸発し、高温かつ高圧の蒸気になる。高温かつ高圧の作動流体は、加熱器６から流出し、膨張機１６へ送られる。膨張機１６において、作動流体の圧力エネルギーが機械的エネルギーに変換され、発電機２１が駆動される。これにより、発電機２１において電力が生成される。膨張機１６から吐出された作動流体は、第一放熱器３１に流入する。作動流体は、第一放熱器３１において、冷却液経路７を流れる冷却液によって冷却され、第一放熱器３１において全部又は一部の作動流体が凝縮する。これにより、冷却液経路７を流れる冷却液は第一放熱器３１において作動流体によって加熱される。第一放熱器３１から流出した作動流体は、低温かつ低圧の液相状態になり、ポンプ１７へ向かって流れる。

冷房運転において、冷却液経路７においてエンジンジャケット９を通過した冷却液が第二放熱器１０に導かれるように三方弁３０が制御される。これにより、冷却液の有する熱は第二放熱器１０において大気に放熱され、冷却液の温度は第二放熱器１０を通過することにより低下する。第一放熱器３１には、第二放熱器１０における放熱により低温の冷却液が導かれやすい。このため、ランキンサイクルが高い発電効率を発揮しやすい。

次に、ヒートポンプサイクル経路４において暖房運転が行われる場合のランキンサイクルシステム１ａの動作の一例を説明する。図２Ｂに示す通り、暖房運転において、エンジン２が作動して圧縮機５が回転することにより、圧縮機５に吸入された冷媒が圧縮されて高温かつ高圧の蒸気となり、四方弁１１に導かれる。暖房運転における四方弁１１の状態は状態Ａである。圧縮機５から吐出されて四方弁１１を通過した冷媒は、室内熱交換器１２に供給される。冷媒は、室内熱交換器１２において室内の空気と熱交換して冷却され、低温かつ高圧の状態となり、その後膨張弁１３に向かって流れる。これにより、室内の空気が加熱され、室内が暖房される。冷媒は、膨張弁１３において減圧膨張し、低温かつ低圧の状態になり、その後室外熱交換器１４に供給される。冷媒は、室外熱交換器１４において大気との熱交換により加熱され、その後熱交換器１５に供給される。冷媒は、熱交換器１５において冷却液経路７を流れる冷却液の有する熱を受け取り、その後四方弁１１を通って圧縮機５に吸入される。

図２Ｂに示す通り、暖房運転において、冷房運転と同様に、ポンプ１７は作動流体を圧送し、ポンプ１７によって圧送され高圧になった作動流体は加熱器６に流入する。作動流体は、加熱器６において、エンジン２の排気ガスとの熱交換により加熱されて蒸発し、高温かつ高圧の蒸気になる。高温かつ高圧の作動流体は、加熱器６から流出し、膨張機１６へ送られる。膨張機１６において、作動流体の圧力エネルギーが機械的エネルギーに変換され、発電機２１が駆動される。これにより、発電機２１において電力が生成される。膨張機１６から吐出された作動流体は、第一放熱器３１に供給される。作動流体は、第一放熱器３１において、冷却液経路７を流れる冷却液によって冷却され、第一放熱器３１において全部又は一部の作動流体が凝縮する。これにより、冷却液経路７を流れる冷媒は第一放熱器３１において作動流体によって加熱される。第一放熱器３１から流出した作動流体は低温かつ低圧の液相状態となり、ポンプ１７に向かって流れる。

暖房運転において、冷却液経路７においてエンジンジャケット９を通過した冷却液が第二放熱器１０に導かれるように三方弁３０が制御される。これにより、冷却液は熱交換器１５においてヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒によって冷却される。このため、冷却液の温度は、熱交換器１５を通過することにより低下する。第一放熱器３１には、熱交換器１５における冷却により低温の冷却液が導かれやすい。このため、ランキンサイクルが高い発電効率を発揮しやすい。

ランキンサイクルシステム１ａによれば、ランキンサイクルの高温熱源としてエンジン２の排気ガスを用い、ランキンサイクルの低温熱源として冷却液経路７を流れる冷却液をン用いることができる。これにより、ヒートポンプサイクル経路４において、冷房運転が行われている場合でも、暖房運転が行われている場合でも、常にランキンサイクル経路３の膨張機１６から吐出された作動流体の熱を、冷却液経路７を流れる冷却液に放熱できる。その結果、ランキンサイクルシステム１ａにおいて通年の発電が可能である。また、膨張機１６から吐出された作動流体を第一放熱器３１において冷却液によって冷却するので、作動流体が冷却されやすい。このため、ランキンサイクルシステム１ａによれば、ランキンサイクルによる発電効率が高まりやすい。加えて、第一放熱器３１において作動流体と冷却液とが熱交換するので、第一放熱器３１として、例えば、プレート式熱交換器を用いることができる。このため、作動流体と空気とを熱交換するフィンチューブ式熱交換器に比べて、第一放熱器３１は高い熱交換効率を有し、第一放熱器３１は小型化しやすい。

ランキンサイクルシステム１ａによれば、熱交換器１５は、ヒートポンプサイクル経路４において室外熱交換器１４と圧縮機５の冷媒の吸入口との間に配置されている。これにより、特に、ヒートポンプサイクル経路４において暖房運転が行われている場合に、冷却液経路７の冷却液が有する熱を、ヒートポンプサイクル経路４において圧縮機５の吸入口に向かって流れる冷媒に放熱できる。ヒートポンプサイクル経路４において暖房運転が行われている場合に、圧縮機５の吸入口における冷媒の温度は低く、冬期の外気温よりも低い。このため、ランキンサイクルの低温熱源である冷却液経路７の冷却液の温度をより低くできる。これにより、ランキンサイクルシステム１ａにおいて、ランキンサイクルの発電効率を高めやすく、ランキンサイクルによる発電量を増加させることができる。加えて、冷却液経路７の冷却液が有する熱をヒートポンプサイクル経路４において圧縮機５の吸入口に向かって流れている冷媒の加熱に利用できるので、ヒートポンプサイクル経路４において暖房運転が行われている場合に、暖房効率を向上させることができる。

（変形例）
ランキンサイクルシステム１ａは、様々な観点から変更可能である。例えば、ランキンサイクルシステム１ａは、図３に示すランキンサイクルシステム１ｂのように変更されてもよい。ランキンサイクルシステム１ｂは、特に説明する場合を除きランキンサイクルシステム１ａと同様に構成されている。ランキンサイクルシステム１ａの構成要素と同一又は対応するランキンサイクルシステム１ｂの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。ランキンサイクルシステム１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限りランキンサイクルシステム１ｂにも適用される。

図３に示す通り、ランキンサイクルシステム１ｂは、空冷放熱器１８をさらに備えている。空冷放熱器１８は、ランキンサイクル経路３において膨張機１６の出口とポンプ１７の入口との間に配置され、作動流体の熱を大気に放熱する。空冷放熱器１８は、例えば、フィンチューブ式熱交換器等の公知の熱交換器である。ランキンサイクルシステム１ｂによれば、膨張機１６から吐出された作動流体の熱を第一放熱器３１及び空冷放熱器１８の双方において放熱できる。このため、第一放熱器３１において作動流体から放熱される熱量が十分でない場合でも、空冷放熱器における作動流体の放熱によりランキンサイクルによる発電効率を高めることができる。

図３に示す通り、空冷放熱器１８は、例えば、ランキンサイクル経路３において第一放熱器３１における作動流体の流路よりも作動流体の流れの下流に配置されている。これにより、第一放熱器３１を通過した作動流体が空冷放熱器１８に導かれる。例えば、エンジン２が起動されて間もない期間において、冷却液経路７を流れる冷却液の温度が低下しすぎないように調整する必要がある。この場合、第一放熱器３１に供給される冷却液の温度が比較的高く、第一放熱器３１において作動流体から冷却液に放熱できる熱量が十分でない可能性がある。ランキンサイクル１ｂによれば、第一放熱器３１に供給される作動流体の温度が高い場合でも、ある程度は、第一放熱器３１において作動流体から冷却液に放熱できる。加えて、第一放熱器３１を通過した作動流体が空冷放熱器１８において放熱することにより作動流体の温度を低下させることができ、ランキンサイクルによる発電効率を高めることができる。

本願の明細書に記載された技術は、ガスエンジン駆動式空気調和装置に利用されているエンジンの排熱を有効に利用して発電するシステムに有利に利用できる。

１ａ、１ｂ ランキンサイクルシステム
２ エンジン
３ ランキンサイクル経路
４ ヒートポンプサイクル経路
５ 圧縮機
６ 加熱器
７ 冷却液経路
１０ 第二放熱器
１６ 膨張機
１７ ポンプ
１８ 空冷放熱器
３１ 第一放熱器

Claims (5)

1. 冷媒が流れるヒートポンプサイクル経路と、
   作動流体が流れるランキンサイクル経路と、
   冷却液が流れる冷却液経路と、
   前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機と連結され、前記圧縮機を駆動するエンジンであって、前記冷却液経路を流れる冷却液によって冷却されるエンジンと、
   前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記作動流体を圧送するポンプと、
   前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記ポンプによって圧送された前記作動流体を前記エンジンの排熱によって加熱する加熱器と、
   前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記加熱器によって加熱された前記作動流体を膨張させる膨張機と、
   前記ランキンサイクル経路上及び前記冷却液経路上に跨って配置され、前記膨張機から吐出された前記作動流体の熱を前記冷却液に放熱する第一放熱器と、を備えた、
   ランキンサイクルシステム。
2. 前記冷却液経路において前記冷却液が前記エンジンを冷却する位置よりも前記冷却液の流れの下流に配置され、前記冷却液が有する熱を放熱する第二放熱器をさらに備え、
   前記第一放熱器は、前記冷却液経路において前記第二放熱器よりも前記冷却液の流れの下流に配置されている、請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
3. 前記冷却液経路上及び前記ヒートポンプサイクル経路上に跨って配置され、前記冷却液と前記冷媒とを熱交換させる熱交換器をさらに備えた、請求項１又は２に記載のランキンサイクルシステム。
4. 前記ランキンサイクル経路において前記膨張機の出口と前記ポンプの入口との間に配置され、前記作動流体の熱を大気に放熱する空冷放熱器をさらに備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
5. 前記空冷放熱器は、前記ランキンサイクル経路において前記第一放熱器における前記作動流体の流路よりも前記作動流体の流れの下流に配置されている、請求項４に記載のランキンサイクルシステム。

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