JP2020519842A - 熱源の熱利用効率を高める装置及び方法 - Google Patents

Abstract

熱源（６）の熱利用効率を高める装置（１）が提案される。この装置（１）は、ヒートシンク（２）と、凝縮器（４１）及び蒸発器（４２）を有するヒートポンプ（４）とを備える。ヒートシンク（２）は、熱交換器（１２）を介した熱源（６）との熱的結合に関与するヒートシンク往流（２１）及びヒートシンク復流（２２）をもつ。ヒートポンプ（４）の凝縮器（４１）は、ヒートシンク（２）への熱放出のためにヒートシンク往流（２１）と熱的に結合している。本発明によれば、ヒートポンプ（４）の蒸発器（４２）が、熱吸収のためにヒートシンク復流（２２）と熱的に結合している。本発明は、本発明に係る装置（１）又はその一実施形態を用いた熱源（６）の熱利用効率を高める方法も提供する。

Description

本発明は、請求項１の主題の装置と請求項９の主題の方法に関する。

従来技術では、産業プロセスからの廃熱や地熱源からの熱は、熱消費体に対して熱を提供するために利用され、言い換えると、ヒートシンクに熱を供給するために利用される。このときその熱は、通常は熱交換機又は追加的なヒートポンプを用いてヒートシンクに伝達される。

熱源から供給される熱が熱交換器によりヒートシンクに伝達される場合、当該ヒートシンクは一般的に、熱交換器と通流する流体のヒートシンク復流とヒートシンク往流とをもつ。そのヒートシンク復流は、ヒートシンク往流よりも温度が低い。換言すれば、熱の少なくとも一部がヒートシンクによって消費される。

同様に熱源は、一般的に、熱交換器と通流する熱源復流と熱源往流とをもつ。その熱源往流の温度は、熱交換器による熱伝達のために、熱源復流の温度よりも高くなっている。ヒートシンクと熱源との熱交換器を用いた熱的結合のため、熱源復流の温度はヒートシンク復流の温度に従って制限される。換言すれば、熱がヒートシンクに伝達されるようになっている場合の熱源復流の温度は、それ以上下げることができない。

さらに、ヒートシンク往流の温度は、熱源往流の温度に従って制限されている。上述の制限から、熱源はそのエンタルピーに関して十分に利用することができないという欠点がある。すなわち、熱源の熱利用効率はそれにより制限されている。

本発明の課題は、熱源の熱利用効率を改善することである。

上記課題は、独立形式請求項１の特徴を備えた装置によって、さらに、独立形式請求項９の特徴を備えた方法によって、解決される。引用形式の請求項には、本発明の有利な態様及び派生が示されている。

熱源の熱利用効率を高める本発明に係る装置は、少なくとも、ヒートシンクと、凝縮器及び蒸発器を有するヒートポンプとを備える。そのヒートシンクは、熱交換器を介した熱源との熱的結合に関与するヒートシンク往流及びヒートシンク復流をもつ。そしてヒートポンプの凝縮器は、ヒートシンクへの熱放出のために、ヒートシンク往流と熱的に結合されている。本発明によれば、ヒートポンプの蒸発器は、熱吸収のために、ヒートシンク復流と熱的に結合されている。

ヒートシンク往流及びヒートシンク復流は、好ましくは流体のヒートシンク循環流をなし、このときのヒートシンク復流の流体が少なくとも熱交換器により加熱される。この熱交換器による加熱の後、ヒートシンク復流はヒートシンク往流となる。したがって、ヒートシンク往流は、ヒートシンク復流と比較して温度がより高い。

熱源往流及び熱源復流は、好ましくは流体の熱源循環流をなし、このときの熱源往流の流体が少なくとも熱交換器により冷却され、そしてその熱が、ヒートシンク復流へ少なくとも部分的に伝達されてヒートシンク往流が生成される。この熱交換器による熱源往流の冷却の後、熱源往流は熱源復流となる。熱源復流は、代替として又は追加的に、部分的又は完全に排出され、つまり、部分的又は完全に熱源へは戻されない。

相対的配置、例えば、装置の１つの要素の直前（上流）又は直後（下流）に別の要素を配置するということは、少なくとも循環流の方向か流体の流れの方向、例えばヒートシンク循環流の方向に関係する。ヒートシンク循環流は、ヒートシンク往流及びヒートシンク復流により形成される。

本発明に係る装置は、特に、ヒートシンク復流と熱的に結合されている蒸発器が、ヒートシンク復流の温度の低下を可能とすることを特徴とする。これによって熱源がさらに冷却されることにより、熱利用効率が高くなる利点がある。このために蒸発器は、好ましくは熱源に対して直接接続されていない。したがって、熱源について装置変更することなく、既存の装置に蒸発器を後付けすることができる。

蒸発器によりヒートシンク復流から吸収された熱は、ヒートポンプの凝縮器によってヒートシンク往流へ放出される。これにより熱源は、そのエンタルピーに関して利用が改善され、その結果、より多くの熱、増大した熱出力、あるいはより高い温度を、ヒートシンクに対して提供することができる。すなわち、本発明による、ヒートシンク循環流へのヒートポンプの組み込みによって、ヒートシンク復流がよりいっそう冷却されると共にヒートシンク往流がよりいっそう加熱される。

産業廃熱源（熱源）では、熱源復流は、従来技術によれば、当該復流を例えば廃水流として排出することができるようになる前に、冷却装置、具体的には冷却塔、を使用して冷却しなければならない。本発明により提供されるヒートシンク復流のもう一段階の冷却の結果、熱源復流がより強く冷却されるので、熱源復流を冷却するための複雑でコストのかかる冷却装置を省略できる利点がある。さらに有利なことには、ヒートポンプの凝縮器によってヒートシンク往流の温度が高められる。このようにして廃熱源は、そのエンタルピーに関し改善されて利用される。

地熱源（地熱の熱源）では、その熱源復流がより強く冷却されることにより、当該熱源の熱利用効率が改善される利点がある。さらに言えば、地熱源には探査というリスクがある。このリスクには、ボーリング孔からの熱水の温度及び質量流量のポテンシャルを十分な確実性を持って予測することができないという事実が関係している。本発明によれば、このようなリスクを顕著に低減することができ、あるいは、高額の保険契約を避けることができる。

本発明に係る装置又はその一態様を用いて熱源の熱利用効率を高める本発明に係る方法は、少なくとも、熱交換器により熱源からヒートシンク復流へ熱を伝達する過程と、ヒートポンプの凝縮器からヒートシンク往流へ熱を伝達する過程と、ヒートシンク復流からヒートポンプの蒸発器へ熱を伝達する過程とを含む。

この本発明に係る方法には、本発明に係る装置と同様、同等の利点がある。

一態様によれば、本発明に係る装置は、熱源を備え、ヒートポンプの蒸発器の下流で、好ましくは蒸発器の直後で、ヒートシンク復流は、熱を取り込むために熱交換器を介し熱源と熱的に結合される。この構成により、熱源の熱と、ヒートポンプによるヒートシンク復流の冷却で得られる熱とを、ヒートシンク、特に熱消費体、に対して提供できるという利点がある。

本発明の一態様において、ヒートポンプの凝縮器は、迂回路によりヒートシンク復流と熱的に結合されている。この構成により、増大した熱出力をヒートシンクに提供することができるという利点がある。

本発明の一態様において、ヒートシンクは、地域暖房網の一部をなす。この場合、当該地域暖房網の熱出力を増大することができるという利点がある。

熱源が地熱源（地熱の熱源）か又は産業廃熱源である場合、あるいはその両方である場合、さらに有益である。この構成によると、地熱源の熱源復流の温度をさらに低下させることができ、その結果、地熱源をより良好に冷却してその利用効率を向上させることができる利点がある。産業廃熱源に関しては、熱源復流を冷却する複雑でコストのかかる冷却装置を省略することができるという利点がある。

本発明の一態様によれば、ヒートポンプは、高温ヒートポンプとして構成されている。高温ヒートポンプとは、その凝縮器における熱出力が摂氏９０度を超える、好ましくは摂氏１００度を越えることを可能とするヒートポンプを意味する。

これによってヒートシンク往流の温度をさらに高めることができるという利点がある。例えば、ヒートシンク往流の温度を摂氏９０度を超えるほどに高めることができる。つまり、熱源の価値がその温度に関してさらに向上する。

この高い温度を達成するためには、Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１３３６ｍｚｚ、ブタン、シクロペンタン、フルオロケトン、及びこれらの物質の混合物のいずれか１つ以上を含有した作動流体を利用するヒートポンプが特に好ましい。

本発明の一態様において、ヒートポンプは、少なくとも１メガワットの電力をもつ。この構成により、産業への適用に十分な大きさのヒートポンプが提供される。特に地域暖房網又は産業プロセスに提供された熱の復流に対して当該電力は有利である。

本発明の利点、特徴、及び詳細について、以下に説明する実施形態と図面からさらに明らかにする。図面は以下の通りである。

従来技術のヒートポンプによる熱源の利用形態を示す。 本発明の第１の実施形態による装置を示す。 本発明の第２の実施形態による装置を示す。

図中、同類又は同じ要素、あるいは同じ機能の要素にはできるだけ同じ参照符号を付してある。

図１は、従来技術のヒートポンプ４による、地熱源として構成された熱源６の利用形態を示す。この地熱源６の利用形態は、ヒートシンク２を含む既知の装置１０により達成される。

ヒートポンプ４は、少なくとも、１つの凝縮器４１と１つの蒸発器４２とを備える。地熱源６は、蒸発器４２を介する熱源往流６１と熱源復流６２とをもつ。その熱源復流６２の温度は、ヒートポンプ４の蒸発器４２との熱的結合で、熱源往流６１の温度に対して低下している。すなわち、地熱源６からの熱がヒートポンプ４の蒸発器４２へ伝達される。この熱は、蒸発器４２内の作動流体の少なくとも部分的な蒸発によって、ヒートポンプ４に伝達される。

ヒートシンク２は、ヒートポンプ４の凝縮器４１との熱的結合を介するヒートシンク往流２１とヒートシンク復流２２とをもつ。そのヒートシンク復流２２の温度は、ヒートシンク往流２１の温度に対して低く、言い換えると、ヒートシンク往流２１の温度は、ヒートシンク復流２２の温度に対して高い。すなわち、熱源往流６１の温度がヒートポンプ４により引き上げられ、そして凝縮器４１内の作動流体の凝縮によって、ヒートシンク往流２１を通しヒートシンク２へ放出される。

この既知の装置１０の欠点は、熱源復流６２の温度をもう一段低下させること、つまり冷却することができないということである。換言すれば、地熱源６の利用効率は、地熱源６からヒートポンプ４への熱伝達によって制限されている。

図２に、本発明の第１の実施形態に係る装置１が示されている。

装置１は、凝縮器４１及び蒸発器４２を有するヒートポンプ（ＨＰ）４を備える。さらに装置１は、熱源６と、ヒートシンク２、特に好ましくは地域暖房網の一部をなす熱消費体と、熱交換器１２とを備える。

ヒートポンプ４は、圧縮機と膨張弁とを備える。ヒートポンプ４の作動流体は、凝縮器４１において少なくとも部分的に凝縮し、圧縮機で少なくとも部分的に圧縮され、蒸発器４２において少なくとも部分的に蒸発し、そして、膨張弁で少なくとも部分的に膨張する。この作動流体としては、Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１３３６ｍｚｚ、ブタン、シクロペンタン、フルオロケトン、及びこれらの物質の混合物のいずれか１つ以上を使用するのが好ましい。

熱源６は、熱交換器１２を介する熱源往流６１と熱源復流６２とをもつ。図示の実施形態において、熱源往流６１の温度は一例として摂氏９５度であり、熱源復流６２の温度は一例として摂氏３５度となっている。

ヒートシンク２は、熱源６とヒートシンク２とを熱的に結合させる熱交換器１２を介するヒートシンク往流２１とヒートシンク復流２２とをもつ。

ヒートポンプ４の凝縮器４１は、ヒートシンク往流２１と熱的に結合する。すなわち、ヒートポンプ４の作動流体が該熱的結合によって少なくとも部分的に凝縮し、そしてこのときに放出される熱がヒートシンク往流２１へ伝達される。この熱的結合は、熱交換器１２の直後で行われる。

ヒートポンプ４の蒸発器４２は、ヒートシンク復流２２と熱的に結合する。すなわち、蒸発器４２によって熱がヒートシンク復流２２から取り出され、そしてヒートポンプ４及び凝縮器４１を介してヒートシンク往流２１へ伝達される。これによってヒートシンク復流２２がもう一段冷却されるという利点を得られる結果、熱交換器１２を介した熱的結合を経て、熱源６の利用効率を向上させることができる。

例えば、熱源往流６１の温度は約摂氏９５度（℃）である。熱交換器１２を介したヒートシンク２と熱源６との熱的結合の直後、熱源復流６２はほぼ摂氏３５度の温度になる。ヒートシンク往流２１は、熱交換器１２とヒートポンプ４の凝縮器４１との間で、すなわち熱交換器１２の直後で且つヒートポンプ４の凝縮器４１の直前で、ほぼ摂氏９０度の温度になる。ヒートポンプ４による吸収熱があるので、ヒートシンク往流２１は、ヒートポンプ４の凝縮器４１との熱的結合の直後、摂氏９０度より高い温度になる。

ヒートシンク２は好ましくは熱消費体として構成され、ヒートシンク往流２１によりこのヒートシンクに供給され得る熱の少なくとも一部を、消費又は使用する。その結果、ヒートシンク復流２２は、ほぼ摂氏５０度の低い温度になる。つまりヒートポンプ４の蒸発器４２でほぼ摂氏５０度の温度となっている。ヒートポンプ４の蒸発器４２により、ヒートシンク復流２２からさらに熱が取り出されるので、ヒートシンク復流２２の温度は、ヒートポンプ４の蒸発器４２との熱的結合の後、ほぼ摂氏３０度になる。続いてこのヒートシンク復流２２は、ほぼ摂氏３０度の温度で熱交換器１２に導かれる。ここでヒートシンク復流２２は、熱源６からの熱を取り込んで、ほぼ摂氏９０度の温度をもつヒートシンク往流２１となる。

本発明の第１の実施形態による装置１を用いることにより、エンタルピーに関して熱源６の利用効率が改善される。好ましくは、本例において熱源６は地熱源として構成されている。

図３は、本発明の第２の実施形態による装置１を示す。

図３の装置１は、図２の装置と実質的に同じ要素を備え、したがって図２の例について言及したことはそのまま図３に示す装置１にも適用される。図２で言及した例示的な温度に加えて、図３においては、質量流量［ｋｇ／ｓ］と、供給電力及び抽出熱出力［ＭＷ］が例示されている。

ヒートポンプ４には、例えばほぼ２メガワット（ＭＷ_ｅｌ）の電力が供給される。図３において地熱源として構成されている熱源６は、ほぼ１５メガワット（ＭＷ_ｔｈ）の熱出力をもつ。本発明に係るヒートポンプ４を本発明に従ってヒートシンク復流２２及びヒートシンク往流２１へ組み込むことにより、熱源６の熱価値が向上し、ヒートシンク２に対してほぼ１７メガワットの熱出力を提供することができる。

図２と違ってヒートポンプ４の凝縮器４１は、迂回路２３を経てヒートシンク復流２２と追加的に熱的結合している。このために迂回路２３にはポンプ８が設けられ、このポンプ８がヒートシンク復流２２の流体を少なくとも部分的に、ヒートポンプ４の凝縮器４１へ送り込む。ヒートポンプ４の凝縮器４１とヒートシンク復流２２との図示した熱的結合によって、ヒートシンク２に対し提供される熱出力を増大することができる。図３に示す本発明の第２の実施形態においては、この結果、実質的にヒートシンク２に対する熱出力が増大している。これに対して図２に示す本発明の第１の実施形態においては、実質的にヒートシンク２に対する温度が上昇する。

装置１のその他の要素は、図２の要素と同様に配置されるか組み込まれており、したがって図２で言及したことは同様に図３に示した装置１に適用される。

本発明の詳細について好適な実施形態を参照して詳しく説明したが、本発明は、開示した例に限定されないのはもちろんで、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者であれば他の変形例を導出することができる。

Claims (9)

1. 熱源（６）の熱利用効率を高める装置であって、
   ヒートシンク（２）と、凝縮器（４１）及び蒸発器（４２）を有するヒートポンプ（４）とを備え、
   前記ヒートシンク（２）は、熱交換器（１２）を介した前記熱源（６）との熱的結合に関与するヒートシンク往流（２１）及びヒートシンク復流（２２）をもち、
   前記ヒートポンプ（４）の凝縮器（４１）は、前記ヒートシンク（２）への熱放出のために、前記ヒートシンク往流（２１）と熱的に結合され、
   前記ヒートポンプ（４）の蒸発器（４２）は、熱吸収のために前記ヒートシンク復流（２２）と熱的に結合されている、装置。
2. 当該装置が前記熱源（６）を有し、
   前記ヒートシンク復流（２２）は、前記ヒートポンプ（４）の蒸発器（４２）の下流で、熱を取り込むために前記熱交換器（１２）を介し前記熱源（６）と熱的に結合される、請求項１に記載の装置。
3. 前記ヒートポンプ（４）の凝縮器（４１）は、迂回路（２３）を介して前記ヒートシンク復流（２２）と熱的に結合されている、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ヒートシンク（２）が地域暖房網の一部である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記熱源（６）が少なくとも地熱源又は産業廃熱源である、請求項２〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記ヒートポンプ（４）が高温ヒートポンプとして構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記ヒートポンプ（４）は、Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１３３６ｍｚｚ、ブタン、シクロペンタン、フルオロケトン、及びこれらの物質の混合物のいずれか１つ以上を含有した作動流体を含む、請求項６に記載の装置。
8. 前記ヒートポンプ（４）は、少なくとも１メガワットの電力をもつ、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置（１）を用いて熱源（６）の熱利用効率を高める方法であって、
   前記熱交換器（１２）により前記熱源（６）から前記ヒートシンク復流（２２）へ熱を伝達する過程と、
   前記ヒートポンプ（４）の凝縮器（４１）から前記ヒートシンク往流（２１）へ熱を伝達する過程と、
   前記ヒートシンク復流（２２）から前記ヒートポンプの蒸発器（４２）へ熱を伝達する過程とを含む、方法。

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